EP2881750A1 - Gradient system for magnetic resonance imaging - Google Patents
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- EP2881750A1 EP2881750A1 EP14196601.0A EP14196601A EP2881750A1 EP 2881750 A1 EP2881750 A1 EP 2881750A1 EP 14196601 A EP14196601 A EP 14196601A EP 2881750 A1 EP2881750 A1 EP 2881750A1
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- coils
- coil
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
- G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
- G01R33/38—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field
- G01R33/385—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field using gradient magnetic field coils
Definitions
- the present invention relates generally to the field of magnetic resonance imaging.
- it relates to a novel gradient system for a magnetic resonance imaging ("MR" Tomograph).
- gradient coding The basic principle of gradient coding is well known, shown for example in reference [3]. If a magnetic field (gradient field) is superimposed on the z-direction-oriented constant main magnetic field whose z-component varies linearly in a certain spatial direction, the Larmor frequency of the affected spins also changes linearly in that direction, so that by analyzing the frequency spectrum of the recorded signal can be separated along this direction.
- gradient field gradient field
- the individual gradient fields are generated by gradient coils, which together form the gradient coil system (here also briefly: gradient system).
- gradient coils which together form the gradient coil system (here also briefly: gradient system).
- open, cylindrical gradient systems will be used on the sides; for open tomographs there are biplanar gradient systems.
- gradient systems with more complicated geometries that are better adapted to the shape of the objects to be measured, e.g. Reference [4].
- the basic model for a cylindrical z-gradient coil is a Maxwell coil consisting of two conductor loops of opposite polarity.
- the basic model for a cylindrical x and a y coil (transverse coil) differs significantly from that of the z coil and is formed by a coil consisting of four saddle-shaped subelements, shown for example in reference [P2].
- a gradient system thus typically consists of three concentric layers of slightly different radii, each layer containing the current conductors of one of the three gradient coils, as in the case of the "Magic Angle" gradient system specifically described in [P1]. Due to slightly different radii thus exist furthermore differences with respect to the individual gradient coils, these are therefore only substantially the same and not identical.
- Coil geometries are usually optimized for the purpose of generating highly efficient gradient fields, while at the same time requiring the highest possible degree of linearity, for example explicitly in reference [P6] or reference [P7].
- Beneficial in this regard are the standard designs in which the conductors are closed along the azimuthal direction on the cylinder surface, i. are not interrupted.
- Reference [P8] describes an open design in which the cylindrical coils are separated into upper and lower halves to bring them closer to the object under examination.
- the invention described in reference [P8] deals with the problem caused by the azimuthal interruptions of the current conductors and notes that such an interruption is possible without significant efficiency losses.
- references [P9] There are both analytical and numerical methods.
- the method of reference [P10], well summarized in reference [P8] and the methods described in references [4] to [9] may be mentioned here by way of example. While initial methods (see references [5], [6]) In the case of newer methods (see references [4], [7], [8]), it is possible to specify arbitrary surfaces for current distributions, or even three-dimensional volumes (see reference [9]). As a rule, very good designs can be determined in disregard of temporal phenomena (Biot-Savart law, see References [4] to [7]), but there are also methods that co-model temporal phenomena (see reference [8]).
- a stream function is determined in a first step.
- a practical fingerprint ladder design is derived based on this stream function .
- a coil geometry is specified, ie, a planar or curved surface is selected, on which later current-carrying conductors are to be arranged.
- This surface may be, for example, a cylinder open on the sides.
- the surface is then split into a large number of triangles using a meshing algorithm. For example, a Delaunay triangulation method would be possible.
- a basis function is determined which depends solely on the geometry of the mesh. Details can be found on page 70 and in Figures 3 to 5 of reference [7], a definition of the basis function is given by equation [[9]] in reference [7].
- a stream function is defined as a linear combination of basic functions, the weights being the same as those of the current distribution.
- the stream function is defined so that the spatial gradient of the basis functions just the basic functions of the
- the optimization problem is to minimize it.
- I can be determined.
- the weights of the stream function are determined and thus also the stream function itself on the given area.
- contour lines often form closed lines, so that at certain points the contour lines should be connected to each other, or by a wirbeiförmige lines is selected.
- the methods used for this purpose are well known, see, for.
- reference [P6] filed as early as 1983.
- An example of a fingerprint design of a transverse coil (z-coil) can be found in reference [P6]
- an example of a fingerprint design of a longitudinal coil can be found in reference [ P4].
- the object of the present invention is to obviate the problems of the prior art described above, which are primarily based on the fact that the known gradient systems consist of coils which, although substantially similar or even almost the same design, are not consistent have identical construction .
- modified gradient systems for MR tomographs with a cylindrical bore opening i.
- Gradient systems that are cylindrically shaped.
- the use of identical gradient coils requires that the coils are not arranged on concentric shells of different radii. However, it is possible, for example, a step-shaped or spiral structure in which the conductors also have a radial component. If a gradient system is used for a tomograph in which three gradient directions are generated, which merge into one another by means of a rotation of 120 °, then such a spiral construction-as will be described in detail later-leads to the desired success.
- a similar principle can also be used to construct a gradient system consisting of a longitudinal coil and two transverse coils of identical construction rotated by 90 ° with respect to each other.
- a helical structure according to the present invention provides a remedy.
- a gradient system is made available, which on the one hand has particularly advantageous properties (for example with regard to eddy current compensation, electrical control, trajectory stability or heat generation), but on the other hand also offers advantages in terms of development and design and thus potential for cost savings. So it is enough to develop only an optimal design for multiple coils.
- a spiral-shaped construction makes it possible, for example, to place the individual printed circuit boards of the gradient coils next to one another and to wind them in a simple manner in a single production step around a prefabricated cylindrical mounting element.
- the arrangement on surfaces means that the conductors are geometrically arranged on surfaces.
- a planar surface may have a slight curvature by (imagining) bending a flat surface (see below).
- the reference surface is replaced by (imaginary) modification.
- the gradient coils each generate a linear magnetic gradient field.
- the current-carrying conductors of these gradient coils are identical.
- the n identical gradient coils can thus be replaced by "the identically shaped current-carrying conductors of the n gradient coils” or by a similar formulation.
- the 90 ° symmetry or 120 ° symmetry with respect to the axis of rotation referred to herein as "a z-axis of the gradient system”).
- a z-axis does not necessarily mean the z-axis of a Cartesian coordinate system, but rather a certain spatial direction.
- the z-axis corresponds to the cylinder axis, for a planar geometry the direction is orthogonal to the planar geometry (see below).
- a gradient system characterized by being cylindrically shaped and having the z-axis of the cylinder axis, i. the longitudinal axis of the cylindrically shaped gradient system corresponds.
- the open shape of the transverse coils means that the current-carrying conductors are formed open. Even a closed or semi-closed shape may be useful.
- the gradient fields are by definition linear gradient fields.
- the invention also extends to a gradient system which is characterized in that it is formed planar or biplanar, and that the z-axis corresponds to that axis, which is oriented orthogonal to the planar or biplanar conductor surfaces.
- planar or biplanar
- the z-axis is that which is determined by the shortest connection of the two partial coils. Is in the context of this invention of an azimuthal angle with respect to planar or Biplanar gradient systems spoken, so hereby the rotation angle with respect to this z-axis is meant.
- the present invention relates not only to gradient systems but also to gradient coils used in such a gradient system according to the invention.
- the scope of the present invention also includes a gradient coil for use in a gradient system according to the invention of the type described above, the gradient coil having current-carrying conductors arranged on a planar or curved surface and closed, half-closed or open in the azimuthal direction and wherein the gradient coil is constructed of one or two elements and, if the gradient coil consists of one element, has an extension in the azimuthal direction of 360 ° or more or, if the gradient coil consists of two elements, each element has an extension in azimuthal Has direction of 180 °, characterized, that each element is formed spirally and / or stepped.
- the step-shaped configuration of the elements has a step in the middle between 0 ° and 180 °.
- the surfaces of current-carrying conductors are not merely imaginary surfaces without expansion, but that these surfaces a have real thickness, which depends on the thickness of the current-carrying conductors used and their insulation. This range is usually no less than one millimeter and no more than one or a few inches, depending on the size and performance of the coil. The person skilled in the art is aware of what thickness should be realized in practice.
- gradient coils in which no penetration of the surfaces takes place are of interest, if the gradient coil and the n imaginary identically reproduced gradient coils form a gradient system in the sense of this invention.
- the gradient coil is characterized in that no penetration of the surfaces takes place with a gradient system which is formed from the gradient coil and
- Fig. 1 provides an optimized fingerprint design ( Fig. 1a , 001) and a suitable possible arrangement of conductors ( Fig. 1b , 013) for a cylindrical gradient system with open lateral ends but closed circuit boards along the azimuthal direction 002; the Dashed lines 003, 011 indicate that it is a closed geometry, so that contour lines and current conductors, which emerge on one side of the image, reappear on the other side.
- This in Fig. 1 Design presented is an optimized result, which is as in one Fig. 3a shown gradient system with a bowl-shaped structure (without compensation coils) heard.
- the English terms “angle”, “length”, “radius” and “power supply” in the drawings mean “angle”, “length”, “radius” and “power source”.
- FIG. 3a This example is nevertheless interesting for the present invention, since this or at least a similar design for the closed, inventive, in Fig. 3b illustrated design can be used, s. in more detail below in the section before the detailed description of Fig. 2 ,
- the design 001 generates a field gradient with transverse as well as with longitudinal component with a tilt angle of 45 ° to the transverse plane along a direction, which is denoted here by e.
- e a tilt angle of 35.26 ° (magic angle) is possible; this, as will be shown later, is even useful for the present invention, as such an angle results in an orthogonal coding system and requires fewer turns around the cylindrical geometry (see below the second section of the detailed description) Fig. 6 ).
- FIG. 1 The design shown was calculated by following essentially the method described in [7], although elements from [4] and [8] were also used.
- ⁇ 0 ⁇ ° . 360 ⁇ ° .
- this area was triangulated in parameterized space.
- the ⁇ - z plane was first divided into regular quadrilaterals, which were then divided once again so that two triangles were generated from each quadrilateral. In total, 2880 triangles were generated. Because of the closedness of the design (ie the closedness of the current-carrying conductors), it was ensured that triangles in the azimuthal direction have no boundary, but are also in contact with each other at 0 °.
- a stream function ⁇ ⁇ i I i ⁇ i was generated with weights I i and basis functions ⁇ i , but not the basic functions shown in [7] were selected, but so-called "triangular linear shape functions" known to those skilled in the art.
- Let j be defined as the current density. Now, j ⁇ ⁇ ( ⁇ n ), where n is the normal vector to the surface; Because of this relationship, the current density was calculated using the definition of the stream function .
- Bz is the magnetic field strength that can be calculated using the Biot-Savart law based on j .
- the deviation from the wanted and the actual magnetic field is determined in an ROI (region of interest) by choosing K equidistant points x k , which are all within the ROI and fill it.
- P describes the power loss given by equation [[2]] in [4] and is directly related to surface geometry and current distribution.
- ⁇ is a parameter that represents a trade-off between field linearity and minimization of power dissipation. This parameter was chosen such that the largest deviation from linearity was 5% ⁇ 0.01%. The deviation was determined by relating the maximum difference between desired and actual magnetic field strength within the ROI to the maximum desired magnetic field strength within the ROI by dividing the two values.
- the vectorial magnitude ⁇ describes Lagrange multipliers and M the three components of the torque as defined in equations [[19-21]] of [7]. With the addition of this third term was thus ensured that the resulting gradient coil is balanced in terms of strength.
- the force-balanced design shown has the following properties: Gradient of Design 001: 86 ⁇ ⁇ T m ⁇ A , Resistance 26 m ⁇ at 26 conductors following the contour lines of the stream function with a conductor thickness of 3 mm and the conductivity of copper (6 ⁇ 10 7 m -1 ⁇ -1 ).
- Fig. 1b shows one too Fig. 1a suitable practical arrangement of current conductors which form a curved cylindrical surface with boundary 010.
- the dashed line 011 is intended to indicate that it is a closed geometry, so that current conductors, which emerge on one side of the image, on the other side again Pop up; the current-carrying conductor 013 are thus formed closed.
- a current supply conductor 012a of the current-carrying conductor 013 is connected to the cylinder surface with a power source 014 (the current source is reversed, of course, changes the flow direction and from the power supplying conductor is a stroma b carrying conductor and vice versa).
- the current first flows to the first vortex, which conveys the current in smaller and smaller windings to the left.
- the current leaves the vortex via a straight 015a (and thus without an effective contribution to the gradient field) straight along the negative z-axis and flows into the second vortex, which turns outward and is dextrorotatory.
- the current leaves the vortex in the negative azimuthal direction and winds several times around the cylinder geometry.
- the subsequent conductor arrangement with vortices, conductor bridge 015b, vortices and windings corresponds to the arrangement just described, but rotated by ⁇ - z coordinates by 180 °.
- the current exits the cylinder geometry in the vicinity of the current-carrying conductor 012a via a current-carrying conductor 012b, which provides a closed circuit via the current source 014 .
- Fig. 1b drawn conductor arrangement was based on the in Fig. 1a shown contour lines of the stream function created. Although it would be possible to arrange current conductors so that they follow the contour lines immediately, however, such an arrangement provides difficulties in supplying the conductors with power. Therefore, it is common to make connections between the contour lines manufacture. For example, this can be done abruptly with the aid of short conductor bridges (see, for example, reference [P4]), or continuously (see, for example, reference [P6]).
- Fig. 1b shows an arrangement of the second category, so that a vortex-shaped design results (in the arrangement shown, the conductors have an average distance of two in Fig. 1a shown contour lines).
- Fig. 1b shown ladder bridges 015a, b to be able to do by constructing the coil two layers, see for example in [13]. He will also design the geometry of the incoming and outgoing conductors according to the requirements that face him. In the Fig. 1b represented conductors 012a, 012b represent only one possible embodiment.
- Fig. 1 design used directly in a known from the prior art gradient system, which consists of concentric shells (see also Fig. 3a ).
- the problem is, however, that the two other gradient coils can not be constructed identically, but must have a different radius.
- Fig. 1 calculated, however, with a radius of 34cm or 36cm instead of 35cm, which has an efficiency of 89 ⁇ ⁇ T m ⁇ A respectively.
- 82 ⁇ ⁇ T m ⁇ A exhibited.
- the shell-shaped structure with different radii thus still results in efficiency differences of almost 10%, which for example causes problems with regard to heat generation can result during operation.
- the gradient system according to the prior art is differently efficient, so that the power loss also depends on the coding direction, which has the unfavorable effect that the heat generation also depends on the coding direction.
- This term is as above shown independent of the coding direction. This proves that the claim is true that with identical design of the three coils, the power loss is independent of the coding direction, an advantage that does not exist in the prior art.
- Fig. 2 shows a spiral design according to the invention 020, in which, first, the in Fig. 1 shown cylindrical surface of current-carrying conductors is not closed, but open, and secondly, the open sides not flush with each other, but radially offset by 3cm.
- the outer r ⁇ 37cm.
- Gradient system the gradient coils, the surfaces of current-carrying conductors or on the arrangement of the current-carrying conductor.
- design the term “design” is used or “the arrangement” or the like.
- spiral-shaped and / or stepped which describe a uniform property, regardless of whether it is spoken, for example, that the gradient coils (or elements of these coils) themselves have this property or the surfaces (or surfaces), on which the current-carrying conductors of the gradient coils are arranged.
- the open design implies that the current carrying conductors 021 of the coil are openly formed in the azimuthal direction.
- the spiral design may also be referred to as “substantially cylindrical” or simply “cylindrical” in that the deviation from a pure cylindrical geometry is small and still well accommodated by a cylindrical bore.
- a gradient system which consists of such spiral (and / or step-shaped) gradient coils, should therefore also be referred to as "cylindrical" itself. Insofar as there is no likelihood of confusion due to the context, this linguistic simplification also applies to the gradient coils themselves or to the surfaces on which the current-carrying conductors are arranged.
- Fig. 2a shows optimized contour lines for the in Fig. 2b shown in side view spiral arrangement.
- the open design note the following: While in Fig. 1 the page boundary 011 is drawn by dashed lines, it is in Fig. 2a consistently drawn (022), which makes it clear that the pages are not interconnected.
- the angle at which the surface is separated is obtained by the used numerical method is a non-symmetrical arrangement or one which a 180 ° symmetry in the ⁇ - having z plane. In this one In the example shown, an angle of 90 ° was chosen for the coding direction e in order to obtain the in 2a to produce shown almost symmetrical arrangement.
- Fig. 3 shows in side view three different arrangements of the three gradient coils (with compensation coils), which form different gradient systems.
- Fig. 3a shows a cup-shaped construction known from the prior art in which the conductors of the three gradient coils 030 have a slightly different but constant radius, thus forming closed superimposed cylinders so that the current-carrying conductors are geometrically curved on curved cylindrical surfaces 030a are located.
- Fig. 3a shows a situation in which the three gradient coils by three Compensation coils 031 are supplemented for active shielding of the magnetic fields to the outside.
- the three compensation coils are also arranged cup-shaped, the order of the compensation coils in relation to the gradient coils can basically be chosen arbitrarily, but typically have the same sequences, ie with increasing radius gradient coil 1, gradient coil 2, gradient coil 3, compensation coil 1, Compensation coil 2, compensation coil 3.
- Fig. 3c shows a spiral open design with three gradient coils 036 and three compensation coils 037
- Fig. 3c contains illustrated arrangement each three identical gradient coils 038a, 038b and 038c, each rotated by 120 °. The same applies to the three compensation coils.
- the Fig. 3c embodiment shown consists of coils which have a greater extent than 360 ° in the azimuthal direction and are open, in which the two ends 039a and 039b of the coil geometry thus enclose an angle of more than 360 °.
- gradient coils could be used with a design as in FIG Fig. 2 shown.
- the step-shaped design has, among other things, the advantage over the spiral design that it adapts in a very simple way to a cylindrical geometry, which can bring advantages in production; For example, simply shaped cylindrical mounting elements can be used without special design. However, there is an increased installation effort at the points where the conductors change from the inner to the outer layer.
- the conductor bridges 034a, 034b, or 035 are steeper (even vertically) or flatter independently of each other; In this sense, the spiral design represents an extreme case of particularly flat conductor bridges. Also other than straight conductor bridges are conceivable, for example those with non-abrupt change of direction. A combination of helical and step-shaped construction could also be useful in individual cases.
- the identical 120 ° symmetry relates only to the current-carrying conductors of the gradient system whose primary goal is to generate a magnetic field within the gradient system (the same applies to all gradient systems described in this document, including gradient systems with two identical transverse coils (see eg Fig. 7b or Fig. 7c ) or for the gradient systems according to the invention having a substantially planar or biplanar geometry).
- Auxiliary components such as gradient amplifiers are ignored, as are current-ingoing and outgoing conductors, unless they have a special geometry which serves to manipulate the gradient field generated and thus can be regarded as part of the gradient coil design itself.
- the symmetry property should be considered as obtained, for example, the power supply and discharge conductors are bundled for practicality reasons in one place to facilitate the connection with the gradient amplifiers, but without providing a significant contribution to the gradient field within the study area ,
- Fig. 4 shows an open design with ⁇ max > 360 °, which from the closed, in Fig. 1 shown balanced, balanced design was developed.
- Fig. 4a repeats the design in the black box Fig. 1 b.
- the current conductors 040 are cut at the two vertical black lines 041a and 041b .
- the open ends are then connected to each other via the gray drawn current conductors 042 and 043 . Since there are no large deviations, the following considerations can be ignored in a first approximation, the fact that such a design is difficult to realize on a pure cylinder surface, and should be better arranged spiral, stepped or similar, s. for example, the representation in Fig.
- a meaningful design could be developed in such a way that the term ⁇ M in the objective function ⁇ is replaced by the term ⁇ M , where ⁇ is not a vector of three Lagrange multipliers, but a vector with three additional weights, by varying the degree can be adapted to how much the resulting design is balanced in terms of strength.
- Fig. 4 shown arrangement of conductors offers an approximation of in Fig. 4c represented loop-shaped conductor 045 by a single vortex-shaped conductor.
- the compensation coil could also be realized by arranging the conductors 044a and 044b which connect the current-carrying conductors of the gradient coil to the current source so as to equalize the uncompensated torque.
- Fig. 5 Here are three situations, based on the closed, balanced and balanced design of Fig. 1 to show open designs. Only a single conductor loop is shown (irrelevant to the considerations is that the conductor loop is shown self-contained, similar to a contour line of the stream function; for a practical design, the conductor is slightly offset laterally after rounding, as in FIG Fig. 4 shown). For the problem of balance of forces, it is sufficient to consider a single conductor loop, the considerations can be easily generalized to several rounding.
- Fig. 5a shows a situation with positive torque
- Fig. 5c with no net torque.
- Fig. 5a This situation corresponds directly to the one in Fig. 4 illustrated situation.
- the conductor loop shown consists of the balanced power conductors 050 and the connecting conductors 051a, 051b.
- an angle ⁇ max was chosen, which is significantly larger than 360 °; this angle also describes in this connection the expansion of the gradient coil in the azimuthal direction.
- a torque it is defined as positive or negative, if the current flows in a clockwise direction, where the torque is defined as positive in the clockwise direction
- An oppositely directed (negative) Torque arises in the in Fig. 5b illustrated situation.
- an angle of ⁇ max 360 ° was chosen.
- the resulting torque for a planar conductor loop is proportional to the area enclosed by the conductor loop, where the area counts positive with current flow in the positive direction and negative with current flow in the negative direction.
- a balanced design is characterized by the fact that in the three-part net current loop 057, the sum of the upper and lower surfaces is just the average area.
- Such a design can be realized by a helical, but also by a stepped or similar structure of the gradient system.
- partially open (ie semi-closed) designs may be used to increase efficiency, with only a portion of the live conductors such as the Fig. 4 or Fig. 5 is shown, the other part but forms closed conductors, as in Fig. 1 shown.
- Fig. 6 indicates a problem that can occur when a closed design according to the invention is chosen, such as that in FIG Fig. 3b shown stepped design. If such a closed design is constructed, care must be taken that tracks can intersect.
- FIG. 6a Figure 11 illustrates a side view of a portion of a closed spiral design that has similar problems in this regard as for stepped designs.
- the arrows indicate the radial direction inwards (inwards) and outwards (outwards).
- a coil After rounding, a coil reaches its maximum outside radius at 060.
- the two other two coil layers To connect the conductors to the other end of the coil, inside at 063 , the two other two coil layers must be crossed at 061 and 062.
- Fig. 6b shows that there is sufficient space along the z-direction, so that the connecting conductors are led inwards at different points starting at 063a-063e and ending at 060a - 060e .
- Fig. 6b is intended to indicate that vertical conductors connecting the outer conductor to the inner portion of the coil cause the other two gradient coils to be passed at a particular position.
- method (b) can be used (alternatively or in addition), according to which the density of the horizontally extending current conductors is reduced at locations where vertical current conductors (which connect the outer to the inner part of a coil) intersect. This can be achieved by having is deviated from the optimum geometry by moving conductors in the ⁇ - z plane appropriately.
- the current conductors which connect the outer to the inner part of the individual gradient coils, run vertically.
- This is useful insofar as such a current conduction can be realized in a structurally simple manner, because here, for example, there would simply be vertical holes after joining the three gradient coils (or even two, for example, in an x, y, z gradient system according to the invention) to drill into the mounting material.
- conductor pieces could then be inserted, which could then be soldered externally or internally, welded or connected by a similar processing step with the still open ends of the respective gradient coil.
- this is only one of many realizations according to the invention.
- Fig. 7 shows an example of an inventive implementation of a (substantially) cylindrical gradient system, which field gradient generated along the x, y and z axes. Unlike in Fig. 3 Here are only two of the three gradient coils in comparison to the prior art modified designed.
- the current conductors of the z-gradient coil (074, 078) are in the illustrated embodiments on a cylindrical surface outside; This is not mandatory, but because of the compared to transversal coils but higher efficiency of the longitudinal coil but this is usually advisable.
- the transverse coils are configured identically, rotated only by 90 ° to each other.
- the structure of the invention it is shown to apply analogously to two coils, that is, to construct two layers which are spirally, stepwise or similarly intermeshed, open, half-closed or closed.
- the absence of windings around the bobbin basically allows an open configuration.
- Fig. 7b and Fig. 7c shown in which the individual transverse coil is not composed of one element, but each of two elements.
- Fig. 7a This is going out Fig. 7a seen.
- Fig. 7b There is one with the in the second section to the detailed description Fig. 1 described optimized design 070 for a transverse coil. It is noticeable that no contour lines (and no current conductors) intersect the two black drawn lines 071a, 071b . Since the lines run along the z-direction and thus each have constant azimuthal angles, which are rotated by exactly 180 ° to each other, the coil geometry along these lines can be separated in fact; at best, it is necessary to connect centers of the current-carrying vortices via (not shown) conductor bridges in a known manner (similar to FIG Fig. 1 b) , Therefore, a gradient system with coil geometries as in Fig. 7b and Fig. 7c be shown to be advantageous a gradient system in which a splitting of the coil geometry is not performed in two opposite parts.
- Fig. 7b a step-shaped gradient system shown in side view, which consists of the two parts (072a, 072b) of an x-gradient coil 072 and from the two parts (073a, 073b) of the y-gradient coil 073.
- a penetration of the gradient coils does not take place, it is an open design. The reason for this is that for a transverse coil usually no windings are necessary around the bobbin (see previous section).
- Fig. 7c shows a spiral design with outer radius 075a and inner radius 075b (the difference depends on the thickness of the current-carrying conductors used and their insulation, thus usually a few millimeters to a few centimeters).
- the x-gradient coil 076 consists of two spirally outwardly extending elements 076a, 076b; rotated by 90 ° are respectively the corresponding elements 077A, 077B of the y-gradient coil 077.
- the two gradient coils 076 and 077 are thus identical and are transferred to geometrically with each other when the gradient about the longitudinal axis of the cylindrical arrangement (ie around the cylinder axis ) is rotated through an angle of 90 °, regardless of whether one or the other direction is rotated.
- each transverse coil consisting of two elements each having an extension of 180 ° in the azimuthal direction and being rotated by 180 °, each element itself being open, helical ( Fig. 7c ) or stepped ( Fig. 7b ) is designed with a step in the middle between 0 ° and 180 °.
- the coils may be equipped with possibly similarly stepped or spiral compensating coils, but contrarily constructed so that the radius does not grow in the same clockwise direction as that of the main coils (see above) Fig. 7b, Fig. 7c ), but in the opposite direction, analogous to that in the first section for a detailed description of Fig. 3 described situation.
- Fig. 8 shows the surface 080 of a single gradient coil for a planar gradient system (or of a lower or upper element of a gradient coil of a biplanar gradient system) from two perspectives, from above (FIG. Fig. 8a ) as well as from above ( Fig. 8b ).
- planar geometries are conceivable, such as squares or rectangles. From the prior art surfaces are known which lie in one plane.
- this planar geometry is cut at one point and one edge 082 is bent upwards relative to the other edge 083 .
- a small opening 081 is left in the middle, which is chosen as small as possible, but large enough not to damage the material to be bent.
- the resulting area of current-carrying conductors is only substantially planar after this process.
- planar or biplanar
- This linguistic simplification usually also applies to the gradient coils themselves, or to the surfaces formed by the arrangements of the current-carrying conductors (although these surfaces strictly speaking have a slight curvature). This linguistic simplification is also useful when talking about planar or curved surfaces.
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Abstract
Ein Gradientensystem für die Magnetresonanzbildgebung, das drei Gradientenspulen (032) umfasst, welche stromführende Leiter (013) aufweisen, die auf planaren oder gekrümmten Flächen (080, 030a) angeordnet sind, wobei die stromführenden Leiter von n der drei Gradientenspulen, mit n=2 oder n=3, in azimutaler Richtung geschlossen, halb-geschlossen oder offen ausgeformt sind (013, 021) und jeweils ein magnetisches Gradientenfeld erzeugen, wobei die Gradientenrichtungen orthogonal zueinander sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass die planaren oder gekrümmten Flächen (080, 030a) der n Gradientenspulen spiralförmig (036) und/oder stufenförmig (032) ausgeformt sind, und dass die stromführenden Leiter der n Gradientenspulen identisch ausgeformt sind (038a, 038b, 038c). Damit lassen sich die Probleme aus dem Stand der Technik elegant umgehen, die vor allem darauf beruhen, dass die bekannten Gradientensysteme aus Spulen bestehen, die zwar im Wesentlichen ähnlich oder sogar nahezu gleich konstruiert sein mögen, jedoch keine konsequent identische Bauweise aufweisen.A magnetic resonance imaging gradient system comprising three gradient coils (032) having current-carrying conductors (013) arranged on planar or curved surfaces (080, 030a), the current-carrying conductors of n being the three gradient coils, where n = 2 or n = 3, are closed in the azimuthal direction, semi-closed or open (013, 021) and each generate a magnetic gradient field, wherein the gradient directions are orthogonal to each other, characterized in that the planar or curved surfaces (080, 030a ) of the n gradient coils are formed spirally (036) and / or stepped (032), and that the current-carrying conductors of the n gradient coils are identically shaped (038a, 038b, 038c). Thus, the problems of the prior art can be handled elegantly, which are based primarily on the fact that the known gradient systems consist of coils, which may be substantially similar or even almost the same design, but have no consistently identical construction.
Description
Die Erfindung betrifft ein Gradientensystem für die Magnetresonanzbildgebung, das drei Gradientenspulen umfasst, welche stromführende Leiter aufweisen, die auf planaren oder gekrümmten Flächen angeordnet sind, wobei die stromführenden Leiter von n der drei Gradientenspulen, mit n=2 oder n=3, in azimutaler Richtung geschlossen, halb-geschlossen oder offen ausgeformt sind und jeweils ein magnetisches Gradientenfeld erzeugen, wobei die Gradientenrichtungen orthogonal zueinander sind.The invention relates to a gradient system for magnetic resonance imaging comprising three gradient coils having current-carrying conductors arranged on planar or curved surfaces, wherein the current-carrying conductors of n of the three gradient coils, with n = 2 or n = 3, in the azimuthal direction are closed, half-closed or open formed and each generate a magnetic gradient field, wherein the gradient directions are orthogonal to each other.
Ein solches Gradientensystem ist bekannt aus
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Gebiet der Magnetresonanzbildgebung. Im Speziellen betrifft sie ein neuartiges Gradientensystem für ein Magnetresonanzbildgebungsgerät ("MR-Tomograph").The present invention relates generally to the field of magnetic resonance imaging. In particular, it relates to a novel gradient system for a magnetic resonance imaging ("MR" Tomograph).
Anfang der 1970er Jahre wurde von Paul Lauterbur [1] und Peter Mansfield [2] unabhängig voneinander erkannt, dass mit Hilfe von Gradientenfeldern eine Ortskodierung ermöglicht werden kann. Dieser Entdeckung folgte eine Vielzahl von Erfindungen, die dadurch ermöglicht wurden, dass die Magnetresonanz-Technologie nun auch als bildgebendes Verfahren eingesetzt werden konnte.In the early 1970s, Paul Lauterbur [1] and Peter Mansfield [2] independently recognized that spatial coding can be made possible by means of gradient fields. This discovery was followed by a variety of inventions, which were made possible by the fact that the magnetic resonance technology could now also be used as an imaging method.
Das Grundprinzip der Gradientenkodierung ist hinlänglich bekannt, dargestellt beispielsweise in Referenz [3]. Wenn dem in z-Richtung orientierten konstanten Hauptmagnetfeld ein Magnetfeld (Gradientenfeld) überlagert wird, dessen z-Komponente in einer bestimmten räumlichen Richtung linear variiert, ändert sich die Larmorfrequenz der betroffenen Spins ebenfalls linear in dieser Richtung, so dass durch die Analyse des Frequenzspektrums des aufgenommenen Signals Ortsanteile entlang eben dieser Richtung separiert werden können.The basic principle of gradient coding is well known, shown for example in reference [3]. If a magnetic field (gradient field) is superimposed on the z-direction-oriented constant main magnetic field whose z-component varies linearly in a certain spatial direction, the Larmor frequency of the affected spins also changes linearly in that direction, so that by analyzing the frequency spectrum of the recorded signal can be separated along this direction.
Wird nur ein einziges Gradientenfeld verwendet, kann Ortsinformation nur entlang einer einzigen Raumrichtung rekonstruiert werden. Für die dreidimensionale Untersuchung von Objekten werden daher drei Felder benötigt, die lokal jeweils entlang unterschiedlicher nicht in einer Ebene liegenden Raumrichtungen variieren. In der Regel werden drei global aufeinander orthogonal stehende Gradientenfelder erzeugt, die jeweils entlang der x-, der y-und der z-Richtung linear variieren.If only a single gradient field is used, location information can only be reconstructed along a single spatial direction. Therefore, three fields are required for the three-dimensional examination of objects, which vary locally along different spatial directions that do not lie in one plane. As a rule, three are global on each other generates orthogonally gradient fields that vary linearly along the x, y, and z directions, respectively.
Die einzelnen Gradientenfelder werden durch Gradientenspulen generiert, die zusammengenommen das Gradientenspulensystem (hier auch kurz: Gradientensystem) bilden. Dabei werden vor allem an den Seiten offene, zylinderförmige Gradientensysteme verwende; für offene Tomographen existieren biplanare Gradientensysteme. In dem Stand der Technik beschrieben sind außerdem Gradientensysteme mit komplizierteren Geometrien, die besser an die Form der zu messenden Objekte angepasst sind, so z.B. Referenz [4].The individual gradient fields are generated by gradient coils, which together form the gradient coil system (here also briefly: gradient system). In particular, open, cylindrical gradient systems will be used on the sides; for open tomographs there are biplanar gradient systems. Also described in the prior art are gradient systems with more complicated geometries that are better adapted to the shape of the objects to be measured, e.g. Reference [4].
Das Grundmodell für eine zylinderförmige z-Gradientenspule (Longitudinalspule) ist eine Maxwell-Spule, die aus zwei Leiterschleifen entgegen gerichteter Polarität besteht. Das Grundmodell für eine zylinderförmige x- und eine y-Spule (Transversalspule) unterscheidet sich signifikant von dem der z-Spule und wird gebildet durch eine Spule, die aus vier sattelförmigen Teilelementen besteht, abgebildet beispielsweise in Referenz [P2].The basic model for a cylindrical z-gradient coil (longitudinal coil) is a Maxwell coil consisting of two conductor loops of opposite polarity. The basic model for a cylindrical x and a y coil (transverse coil) differs significantly from that of the z coil and is formed by a coil consisting of four saddle-shaped subelements, shown for example in reference [P2].
Problematisch an solchen Gradientensystemen, bei denen die Longitudinalspule und die Transversalspulen unterschiedliche Designs aufweisen, ist insbesondere, dass die Spulen andere Spezifikationen und somit andere Limitationen bezüglich ihrer eigenen Eigenschaften (z.B. Schaltgeschwindigkeit, erzielbare Gradientenstärke) wie auch bezüglich ihres externen Einflusses (z.B. periphere Nervenstimulation, Wirbelströme) hat. Dies hat einen hohen Konstruktions- und Spezifikationsaufwand zur Folge, steht einer flexiblen Handhabung bei der Messung entgegen und hat Ungenauigkeiten zur Folge, die den diagnostischen Wert von MRT-Aufnahmen nicht optimal zur Geltung bringen können.The problem with such gradient systems in which the longitudinal coil and the transverse coils have different designs is in particular that the coils have different specifications and thus other limitations regarding their own properties (eg switching speed, achievable gradient strength) as well as their external influence (eg peripheral nerve stimulation). Eddy currents) has. This results in a high construction and specification effort, prevents flexible handling during the measurement and results in inaccuracies that can not optimally bring out the diagnostic value of MRI scans.
Aus diesem Grund wurde in Referenz [P1] ein Gradientensystem vorgeschlagen, bei dem die Unterschiede zwischen allen drei Gradientenspulen reduziert werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die drei Spulen keine Gradienten entlang der x-, y- und der z-Achse generieren, sondern entlang dreier schräg im Raum verlaufender Achsen, die durch eine Rotation von 120° um die z-Achse ineinander übergehen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass Gradienten entlang folgender (in diesem Fall orthogonaler) Achsen erzeugt werden:
Diese Achsen bilden einen Verkippungswinkel von
Allerdings sind die in [P1] beschriebenen Spulen mit zylinderförmiger Geometrie nur im Wesentlichen gleich und nicht identisch, so dass die oben beschriebenen Probleme mit der in [P1] offenbarten Erfindung nur teilweise behoben werden können.However, the coils of cylindrical geometry described in [P1] are only substantially the same and not identical, so that the above-described problems with the invention disclosed in [P1] can only be partially remedied.
Hintergrund ist, dass sich die Leiter einer Gradientenspule eines zylinderförmigen Gradientensystems typischerweise auf einer Zylinderoberfläche mit konstantem Radius befinden, siehe zum Beispiel Referenz [P3]. Ein Gradientensystem besteht somit typischerweise aus drei konzentrischen Schichten leicht unterschiedlicher Radien, wobei jede Schicht die Stromleiter einer der drei Gradientenspulen enthält, so auch bei dem in [P1] konkret beschriebene "Magic-Angle"-Gradientensystem. Aufgrund leicht unterschiedlicher Radien bestehen somit weiterhin Unterschiede bezüglich der einzelnen Gradientenspulen, diese sind somit nur im Wesentlichen gleich und nicht identisch.The background is that the conductors of a gradient coil of a cylindrical gradient system are typically located on a cylindrical surface of constant radius, see for example reference [P3]. A gradient system thus typically consists of three concentric layers of slightly different radii, each layer containing the current conductors of one of the three gradient coils, as in the case of the "Magic Angle" gradient system specifically described in [P1]. Due to slightly different radii thus exist furthermore differences with respect to the individual gradient coils, these are therefore only substantially the same and not identical.
Ähnliches gilt auch für herkömmliche Gradientensysteme, welche Gradienten entlang der x-, y- und z-Achse erzeugen. Bei diesen herkömmlichen Gradientensystemen haben nicht nur - aufgrund völlig unterschiedlicher Designs - die Transversalspulen, i.e. x- und y-Spule, im Vergleich zur Longitudinalspule, i.e. z-Spule, unterschiedliche Eigenschaften, sondern, aufgrund der unterschiedlichen Radien, auch die beiden Transversalspulen selbst. Auch diese sind somit nur im Wesentlichen gleich und nicht identisch.The same applies to conventional gradient systems which generate gradients along the x, y and z axes. In these conventional gradient systems, not only do the transverse coils, i. x and y coil, compared to the longitudinal coil, i.e. z coil, different properties, but, due to the different radii, and the two transverse coils themselves. These are therefore only substantially the same and not identical.
Die Tatsache, dass die Spulen nach dem Stand der Technik nicht identisch konstruiert werden können, zieht ein weiteres Problem nach sich: Aktuell muss jede der drei Spulen für sich unterschiedlich entwickelt werden. Dies hat hohe Forschungs- und Entwicklungskosten zur Folge. Außerdem hat die Andersartigkeit der Spulen einen komplexen und somit teuren Produktionsprozess zur Folge, der zudem eine Reihe von manuellen Arbeitsschritten enthält.The fact that the prior art coils can not be constructed identically entails another problem: currently, each of the three coils has to be designed differently for itself. This results in high research and development costs. In addition, the different nature of the coils results in a complex and therefore expensive production process, which also includes a series of manual operations.
Im Folgenden soll ergänzend beispielhaft Stand der Technik beschrieben werden, der für das Design effizienter Gradientensysteme im Allgemeinen hohe Relevanz hat, und somit auch für die vorliegende Erfindung.In the following, by way of example, state of the art will be described, which in general has high relevance for the design of efficient gradient systems, and thus also for the present invention.
Bei der Konstruktion von Gradientensystemen wird, wie beispielsweise aus Referenz [P2] bekannt, auf eine kräftemäßig ausbalancierte (i.e. kräftemäßig ausgeglichene) Bauweise geachtet. Hinzu kommt, dass zur Vermeidung von Wirbelströmen (eddy currents) Gradientensysteme typischerweise mit Kompensationsspulen ("active shield") ausgestattet werden. Diese Technologie ist schon lange bekannt, zum Beispiel aus Referenz [P4], siehe auch Referenzen [10,11]. Hierzu werden in der Regel drei weitere konzentrische Schichten mit deutlich größeren Radien als die drei inneren Gradientenspulen verwendet. Effizienzsteigerungen können erzielt werden, indem auf den Seitenflanken der zylinderförmigen Geometrie die drei inneren Gradientenspulen mit den jeweils zugehörenden äußeren Kompensationsspulen verdrahtet werden, wie aus Referenz [P5] bekannt, siehe z.B. auch Referenz [12]. Auch könnten - zusätzlich zur Feldkompensation im Außenbereich - möglicherweise 3D Designs von Vorteil sein, bei der Stromleiter in einem ganzen Volumen liegen können und nicht nur auf vorgegebenen Oberflächen (siehe Referenz [9]).In the construction of gradient systems, as is known from reference [P2], attention is paid to a balanced (in terms of power) construction. In addition, in order to avoid eddy currents, gradient systems are typically equipped with compensation shields ("active shield"). This technology has been known for a long time, for example from reference [P4], see also References [10,11]. As a rule, three further concentric layers with significantly larger radii than the three inner gradient coils are used for this purpose. Efficiency gains can be achieved by using the side flanks of the cylindrical geometry, the three inner gradient coils are wired to the respective associated external compensation coils, as known from reference [P5], see, for example, reference [12]. Also, in addition to external field compensation, 3D designs may be beneficial where current conductors can be located in a whole volume, not just on given surfaces (see reference [9]).
Spulengeometrien werden in der Regel zu dem Zweck optimiert, möglichst effiziente Gradientenfelder zu generieren, wobei gleichzeitig ein möglichst hoher Grad an Linearität gefordert wird, so explizit beispielsweise in Referenz [P6] oder Referenz [P7]. In dieser Hinsicht vorteilhaft sind die standardmäßigen Designs, in denen die Stromleiter entlang der azimutalen Richtung auf der Zylinderoberfläche geschlossen, d.h. nicht unterbrochen sind. In Referenz [P8] ist jedoch ein offenes Design beschrieben, bei dem die zylinderförmigen Spulen in eine obere und eine untere Hälfte aufgetrennt sind, um sie näher an das Untersuchungsobjekt zu bringen. Die in Referenz [P8] beschriebene Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, das durch die in azimutaler Richtung entstehenden Unterbrechungen der Stromleiter entsteht und stellt fest, dass eine solche Unterbrechung ohne signifikante Effizienzverluste möglich ist.Coil geometries are usually optimized for the purpose of generating highly efficient gradient fields, while at the same time requiring the highest possible degree of linearity, for example explicitly in reference [P6] or reference [P7]. Beneficial in this regard are the standard designs in which the conductors are closed along the azimuthal direction on the cylinder surface, i. are not interrupted. Reference [P8], however, describes an open design in which the cylindrical coils are separated into upper and lower halves to bring them closer to the object under examination. The invention described in reference [P8] deals with the problem caused by the azimuthal interruptions of the current conductors and notes that such an interruption is possible without significant efficiency losses.
Um das Auffinden erfindungsgemäßer Spulendesigns zu erleichtern, sollen noch kurz systematische Methoden vorgestellt werden, die helfen, leistungsfähige Spulendesigns zu entwickeln. Eine Vielzahl von Methoden ist aus dem Stand der Technik bekannt, mit deren Hilfe leistungsfähigere Spulendesigns als die oben beschriebenen Grundmodelle entwickelt werden können.In order to facilitate the discovery of coil designs according to the invention, systematic methods are briefly presented which help to develop efficient coil designs. A variety of methods are known in the art, which can be used to develop more efficient coil designs than the basic models described above.
Eine Übersicht über den Stand der Technik findet sich in dieser Hinsicht in Referenz [P9]. Es existieren sowohl analytische als auch numerische Methoden. Genannt sei hier beispielhaft die Methode aus Referenz [P10], gut zusammengefasst in Referenz [P8] sowie die Methoden beschrieben in den Referenzen [4] bis [9]. Während anfängliche Methoden (siehe Referenzen [5], [6]) auf spezielle Oberflächengeometrien wie einer Zylinderoberfläche beschränkt waren, ist es bei neueren Methoden (siehe Referenzen [4], [7], [8]) möglich, beliebige Oberflächen für Stromverteilungen vorzugeben, oder sogar dreidimensionale Volumina (siehe Referenz [9]). In der Regel lassen sich sehr gute Designs bestimmen unter Missachtung zeitlicher Phänomene (Biot-Savart-Gesetz, siehe Referenzen [4] bis [7]), es existieren aber auch Methoden, die zeitliche Phänomene mitmodellieren (siehe Referenz [8]).An overview of the state of the art can be found in this regard in reference [P9]. There are both analytical and numerical methods. The method of reference [P10], well summarized in reference [P8] and the methods described in references [4] to [9] may be mentioned here by way of example. While initial methods (see references [5], [6]) In the case of newer methods (see references [4], [7], [8]), it is possible to specify arbitrary surfaces for current distributions, or even three-dimensional volumes (see reference [9]). As a rule, very good designs can be determined in disregard of temporal phenomena (Biot-Savart law, see References [4] to [7]), but there are also methods that co-model temporal phenomena (see reference [8]).
Beispielhaft sei hier die in Referenz [7] dargestellte Methode kurz vorgestellt. Bei dieser Methode wird in einem ersten Schritt eine stream function bestimmt. In einem zweiten Schritt wird, basierend auf dieser stream function ein praktisches Fingerprint-Leiterdesign abgeleitet.By way of example, the method presented in reference [7] is briefly presented here. In this method, a stream function is determined in a first step. In a second step, a practical fingerprint ladder design is derived based on this stream function .
Zur Bestimmung der stream function wird folgendermaßen vorgegangen: Als erstes wird eine Spulengeometrie vorgegeben, d.h., es wird eine planare oder gekrümmte Fläche gewählt, auf denen später stromführende Leiter angeordnet werden sollen. Diese Oberfläche kann zum Beispiel ein an den Seiten offener Zylinder sein. Daraufhin wird die Oberfläche mithilfe eines Meshing-Algorithmus in eine große Anzahl von Dreiecken aufgeteilt. Möglich wäre beispielsweise eine Delaunay-Triangulations-Methode. Daraufhin wird an jeder Ecke ("node") eines jeden Dreieckes eine Basisfunktion bestimmt, die allein von der Geometrie des Meshes abhängt. Details finden sich hierzu auf Seite 70 sowie in den Abbildungen 3 bis 5 von Referenz [7], eine Definition der Basisfunktion ist durch Gleichung [[9]] in Referenz [7] gegeben.To determine the stream function , the procedure is as follows: First, a coil geometry is specified, ie, a planar or curved surface is selected, on which later current-carrying conductors are to be arranged. This surface may be, for example, a cylinder open on the sides. The surface is then split into a large number of triangles using a meshing algorithm. For example, a Delaunay triangulation method would be possible. Thereupon, at each corner of each triangle, a basis function is determined which depends solely on the geometry of the mesh. Details can be found on page 70 and in Figures 3 to 5 of reference [7], a definition of the basis function is given by equation [[9]] in reference [7].
Die Stromverteilung auf der Oberfläche ist nun durch eine Linearkombination der Basisfunktionen gegeben, wobei die zugehörigen Gewichte noch zu bestimmen sind. In entsprechender Weise wird nun eine stream function als Linearkombination von Basisfunktionen definiert, wobei die Gewichte dieselben sind wie die der Stromverteilung. Dabei wird die stream function so definiert, dass der räumliche Gradient der Basisfunktionen gerade die Basisfunktionen derThe current distribution on the surface is now given by a linear combination of the basis functions, whereby the associated weights are still to be determined. In a similar way, a stream function is defined as a linear combination of basic functions, the weights being the same as those of the current distribution. The stream function is defined so that the spatial gradient of the basis functions just the basic functions of the
Stromverteilung ergibt. Die genaue Relation ist durch Gleichung [[6]] in Referenz [7] gegeben. Zur Bestimmung der stream function genügt es somit, die Gewichte zu bestimmen. Die Gewichte werden dadurch bestimmt, dass ein geeignetes Optimierungsproblem formuliert und gelöst wird. Die Formulierung des Optimierungsproblems erschöpft sich dabei in der Wahl eines geeigneten Zielfunktionals, beschrieben durch Gleichung [[1]] in Referenz [7]. Dieses enthält einen ersten Term, der die Abweichung von einem vorgegebenen Magnetfeld (typischerweise ein lineares Magnetfeld in x-, y- oder z-Richtung) bestraft, einen zweiten Term, der die magnetische Energie misst (in Referenz [4] wird an dessen statt ein Term, der die Verlustleistung beschreibt, verwendet) sowie einen dritten Term, der mithilfe von Lagrange-Multiplikatoren die Nebenbedingungen enthält, die sicherstellen, dass die gefundene Stromverteilung kräftemäßig ausbalanciert ist (s. Gleichung [[4]] in Referenz [7]).Current distribution results. The exact relation is given by equation [[6]] in reference [7]. To determine the stream function , it is sufficient to determine the weights. The weights are determined by formulating and solving a suitable optimization problem. The formulation of the optimization problem is exhausted in the choice of a suitable target function, described by equation [[1]] in reference [7]. This includes a first term that punctures the deviation from a given magnetic field (typically a linear magnetic field in the x, y, or z direction), a second term that measures the magnetic energy (in reference [4] takes place on it a term that describes the power loss) and a third term that uses Lagrangian multipliers to provide the constraints that ensure that the current distribution found is well-balanced (see equation [[4]] in reference [7]) ,
Nachdem dieses Zielfunktional gewählt ist, besteht das Optimierungsproblem darin, dieses zu minimieren. Hierfür ist das Zielfunktional nach den zu bestimmenden Gewichten und den Lagrange-Multiplikatoren abzuleiten und das Ergebnis ist gleich null zu setzen. Aus dieser Vorgehensweise resultiert ein lineares Gleichungssystem ZI = b, bei dem die Matrix Z sowie die rechte Seite b nur von der vorgegebenen Spulengeometrie, dem vorgegebenen Magnetfeld sowie dem sonstigen Zielfunktional abhängt und die gesuchten Gewichte unmittelbar durch Komponenten des Vektors I gegeben sind. Durch Inversion des Gleichungssystems, beispielsweise mittels Gauß-Elimination oder durch Bestimmung der Pseudo-Inversen von Z, kann I bestimmt werden. Damit sind die Gewichte der stream function bestimmt und somit auch die stream function selbst auf der vorgegebenen Fläche.Once this objective function is chosen, the optimization problem is to minimize it. For this, the objective function is derived from the weights to be determined and the Lagrange multipliers, and the result is set to zero. From this procedure results in a linear system of equations ZI = b, in which the matrix Z and the right side b depends only on the given coil geometry, the predetermined magnetic field and the other target function and the sought weights are given directly by components of the vector I. By inversion of the equation system, for example by means of Gaussian elimination or by determining the pseudo-inverses of Z , I can be determined. Thus, the weights of the stream function are determined and thus also the stream function itself on the given area.
In einem zweiten Schritt kann nun aus der stream function die Lage und Form von Stromleitern abgeleitet werden, die die fertige Spule bilden soll. Ein mögliches Vorgehen ist auf Seite 73 in [7] beschrieben. Es ist bekannt, dass die Konturen der stream function das Fingerprint-Design von Spulen bilden. Die Konturen geben somit eine direkte Indikation für den Bau einer Spule, indem - nach Wahl einer frei bestimmbaren Anzahl von Konturlinien - Drähte konstanter Stromstärke entlang der Konturen gelegt werden, bzw. indem aus einer großflächigen Leiterplatte an dem Ort der Konturlinien (oder genau zwischen zwei solchen Linien) leitendes Material entfernt wird.In a second step, the position and form of current conductors, which should form the finished coil, can now be derived from the stream function . A possible procedure is described on page 73 in [7]. It is known that the contours of the stream function form the fingerprint design of coils. Give the contours Thus, a direct indication for the construction of a coil by - at the choice of a freely determinable number of contour lines - wires of constant current along the contours are placed, or by a large PCB at the location of the contour lines (or just between two such lines) conductive material is removed.
Es ist dabei allerdings noch darauf zu achten, dass die Konturlinien oftmals geschlossene Linien bilden, so dass an bestimmten Stellen die Konturlinien miteinander verbunden werden sollten, bzw. indem eine wirbeiförmige Linienführung gewählt wird. Die hierzu verwendeten Verfahren sind hinlänglich bekannt, siehe z. B. schon Referenz [P6], angemeldet bereits im Jahr 1983. Ein Beispiel für ein Fingerprint-Design einer Transversalspule (z-Spule) findet sich in Referenz [P6], ein Beispiel für ein Fingerprint-Design einer Longitudinalspule findet sich in Referenz [P4].However, it is still important to ensure that the contour lines often form closed lines, so that at certain points the contour lines should be connected to each other, or by a wirbeiförmige lines is selected. The methods used for this purpose are well known, see, for. For example reference [P6], filed as early as 1983. An example of a fingerprint design of a transverse coil (z-coil) can be found in reference [P6], an example of a fingerprint design of a longitudinal coil can be found in reference [ P4].
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, die oben beschriebenen Probleme aus dem Stand der Technik zu umgehen, die vor allem darauf beruhen, dass die bekannten Gradientensysteme aus Spulen bestehen, die zwar im Wesentlichen ähnlich oder sogar nahezu gleich konstruiert sein mögen, jedoch keine konsequent identische Bauweise aufweisen.The object of the present invention, in contrast, is to obviate the problems of the prior art described above, which are primarily based on the fact that the known gradient systems consist of coils which, although substantially similar or even almost the same design, are not consistent have identical construction .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß auf ebenso überraschend einfache wie wirkungsvolle Weise dadurch gelöst, dass ein gattungsgemäßes Gradientensystem mit den eingangs definierten Merkmalen zur Verfügung gestellt wird, bei dem entweder alle drei oder aber zumindest zwei der drei Gradientenspulen geometrisch genau identisch aufgebaut sind, was dadurch erreicht wird, dass die Spulen spiralförmig und/oder stufenförmig ausgeformt werden.This object is achieved in a surprisingly simple as well as effective manner in that a generic gradient system is provided with the features defined above, in which either all three or at least two of the three gradient coils are constructed geometrically exactly identical, which is achieved in that the coils are formed spirally and / or step-shaped.
Von Interesse sind insbesondere erfindungsgemäß modifizierte Gradientensysteme für MR-Tomographen mit zylinderförmiger Bohröffnung, d.h. Gradientensysteme, die zylinderförmig ausgeformt sind. Die Verwendung identischer Gradientenspulen setzt voraus, dass die Spulen nicht auf konzentrischen Schalen unterschiedlicher Radien angeordnet sind. Möglich ist aber beispielsweise ein stufenförmiger oder spiralförmiger Aufbau, bei dem die Leiter auch eine radiale Komponente aufweisen. Wird für einen Tomographen ein Gradientensystem verwendet, bei dem drei Gradientenrichtungen erzeugt werden, die durch eine Rotation von 120° ineinander übergehen, so führt eine solche spiralförmige Konstruktion - wie später im Detail beschrieben - zu dem gewünschten Erfolg. Ein ähnliches Prinzip kann auch verwendet werden, um ein Gradientensystem zu konstruieren, welches aus einer Longitudinalspule und zwei um 90° gegeneinander rotierten Transversalspulen identischer Konstruktion besteht.Of particular interest are, according to the invention, modified gradient systems for MR tomographs with a cylindrical bore opening, i. Gradient systems that are cylindrically shaped. The use of identical gradient coils requires that the coils are not arranged on concentric shells of different radii. However, it is possible, for example, a step-shaped or spiral structure in which the conductors also have a radial component. If a gradient system is used for a tomograph in which three gradient directions are generated, which merge into one another by means of a rotation of 120 °, then such a spiral construction-as will be described in detail later-leads to the desired success. A similar principle can also be used to construct a gradient system consisting of a longitudinal coil and two transverse coils of identical construction rotated by 90 ° with respect to each other.
Von Interesse sind aber auch erfindungsgemäße Spulendesigns für Gradientensysteme, die planar oder biplanar ausgeformt sind, deren Gradientenspulen zwar für sich genommen identisch konstruiert werden können, deren Felder aber nicht identisch sind, da sie herkömmlicherweise auf unterschiedlichen Ebenen zu einem Gradientensystem zusammengefügt werden müssen. Auch hier bietet, wie weiter unten anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels gezeigt, ein spiralförmiger Aufbau gemäß der vorliegenden Erfindung Abhilfe.Of interest, however, coil designs according to the invention for gradient systems, which are formed planar or biplanar whose gradient coils can be constructed identically constructed, but their fields are not identical, since they must be conventionally assembled on different levels to form a gradient. Again, as shown below with reference to a specific embodiment, a helical structure according to the present invention provides a remedy.
Aufgrund der nicht mehr exakt zylinderförmigen (respektive planaren) Konstruktion, sondern der stufenförmigen, spiralförmigen oder ähnlichen Verbiegung der Gradientenspulen, sind solche Gradientendesigns am einfachsten zu realisieren, die entlang der azimutalen Richtung offen sind. Effizienter sind hingegen Designs, die die offenen Seiten miteinander vollständig oder zumindest zum Teil verdrahten, d.h. geschlossen oder zumindest halb-geschlossen sind. Einige Ausführungsbeispiele werden hierzu später detailliert aufgeführt.Due to the no longer exactly cylindrical (respectively planar) construction, but the stepped, spiral or similar bending of the gradient coils, those gradient designs that are open along the azimuthal direction are the simplest to realize. More efficient, however, are designs that completely or at least partially wire the open sides together, ie closed or at least semi-closed. Some embodiments will be detailed later.
Neben den soeben angesprochenen erfindungsgemäßen Besonderheiten, die dann unabdinglich sind, wenn eine echte Identität der Spulengeometrien erreicht werden soll, ist es ein großer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass sie sich relativ einfach umsetzen lässt und sich unmittelbar in bestehende Magnetresonanzgeräte integrieren lässt.In addition to the particular features of the invention just mentioned, which are then essential if a true identity of the coil geometries is to be achieved, it is a great advantage of the present invention that it can be relatively easily implemented and can be directly integrated into existing magnetic resonance devices.
So gelten bei dem Auffinden optimaler erfindungsgemäßer Spulendesigns die gleichen Prinzipien, die auch für bestehende Spulendesigns gelten. So sollte beispielsweise in der Regel darauf geachtet werden, dass die Designs kräftemäßig ausbalanciert sind oder beispielsweise auch darauf, dass in der Regel eine aktive Abschirmung des magnetischen Feldes nach außen unter Verwendung von Kompensationsspulen nützlich ist.Thus, when finding optimal coil designs according to the invention, the same principles apply, which also apply to existing coil designs. For example, care should generally be taken to ensure that the designs are balanced in terms of force or, for example, that an active shielding of the magnetic field to the outside using compensation coils is usually useful.
Um solche optimalen Designs aufzufinden, kann dem Grunde nach auf die gleichen Methoden zurückgegriffen werden, die dem Fachmann an sich bekannt sind, um auch herkömmliche optimale Spulendesigns aufzufinden. Der Stand der Technik hält insoweit eine Reihe von Möglichkeiten bereit, die Erfindung effektiv umzusetzen.In order to find such optimal designs, basically the same methods known to the person skilled in the art can be used to find also conventional optimal coil designs. The prior art thus holds a number of possibilities ready to implement the invention effectively.
Aus der erfindungsgemäßen Konstruktionsweise des Gradientensystems ergeben sich zwar einige Besonderheiten, die Grundvoraussetzungen sind jedoch dieselben wie bei herkömmlichen Gradientensystemen. Dies hat zur Folge, dass mit seinem Wissen über den Stand der Technik und mit den in dieser Beschreibung angegebenen Informationen der Fachmann nicht nur dazu in die Lage versetzt wird optimale erfindungsgemäße Spulendesigns aufzufinden; er wird, basierend auf diesen Designs, auch wissen, wie ein geeignetes Gradientensystem konstruiert werden kann und ihm wird bewusst sein, wie er es in ein bestehendes Magnetresonanzgerät integrieren und ansteuern kann, da auch insoweit keine signifikanten Besonderheiten zu herkömmlichen Gradientensystemen bestehen.From the construction of the gradient system according to the invention, although some peculiarities arise, but the basic requirements are the same as in conventional gradient systems. As a result, with his knowledge of the state of the art and with the information given in this description, the person skilled in the art is not only enabled to find optimum coil designs according to the invention; Based on these designs, he will also know how suitable Gradient system can be constructed and he will be aware of how he can integrate and control it in an existing magnetic resonance device, since in this respect there are no significant peculiarities to conventional gradient systems.
Durch die Verwendung identischer Gradientenspulen wird ein Gradientensystem zur Verfügung gestellt, welches zum einen besonders vorteilhafte Eigenschaften hat (beispielsweise bezüglich Wirbelstromkompensation, elektrischer Ansteuerung, Trajektorienstabilität oder Wärmeentwicklung), zum anderen aber auch Vorteile bei der Entwicklung und der Konstruktion und somit Potential für Kostenersparnisse bietet. So genügt es, lediglich ein optimales Design für mehrere Spulen zu entwickeln. Ein spiralförmiger Aufbau erlaubt es darüber hinaus, beispielsweise die einzelnen Leiterplatten der Gradientenspulen versetzt nebeneinander zu legen und auf einfache Weise in einem einzigen Produktionsschritt um ein vorgefertigtes zylinderförmiges Montageelement zu wickeln.By using identical gradient coils, a gradient system is made available, which on the one hand has particularly advantageous properties (for example with regard to eddy current compensation, electrical control, trajectory stability or heat generation), but on the other hand also offers advantages in terms of development and design and thus potential for cost savings. So it is enough to develop only an optimal design for multiple coils. In addition, a spiral-shaped construction makes it possible, for example, to place the individual printed circuit boards of the gradient coils next to one another and to wind them in a simple manner in a single production step around a prefabricated cylindrical mounting element.
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt somit insbesondere ein Gradientensystem für die Magnetresonanzbildgebung, das drei Gradientenspulen umfasst, welche
- a. stromführende Leiter aufweisen, die auf planaren oder gekrümmten Flächen angeordnet sind, wobei die stromführenden Leiter von n der drei Gradientenspulen, mit n=2 oder n=3, in azimutaler Richtung geschlossen, halb-geschlossen oder offen ausgeformt sind und
- b. jeweils ein magnetisches Gradientenfeld erzeugen, wobei die Gradientenrichtungen orthogonal zueinander sind,
dass die planaren oder gekrümmten Flächen der n Gradientenspulen spiralförmig und/oder stufenförmig ausgeformt sind,
und dass die stromführenden Leiter der n Gradientenspulen identisch ausgeformt sind.In particular, within the scope of the present invention, there is a gradient system for magnetic resonance imaging, which comprises three gradient coils, which
- a. have current-carrying conductors which are arranged on planar or curved surfaces, wherein the current-carrying conductors of n of the three gradient coils, with n = 2 or n = 3, in the azimuthal direction closed, half-closed or open-shaped and
- b. each generate a magnetic gradient field, wherein the gradient directions are orthogonal to each other,
that the planar or curved surfaces of the n gradient coils are formed spirally and / or step-shaped,
and that the current-carrying conductors of the n gradient coils are formed identically.
Hierbei ist zu beachten, dass die Anordnung auf Flächen bedeutet, dass die Leiter in geometrischer Hinsicht auf Oberflächen angeordnet sind. Eine planare Oberfläche kann durch (gedachtes) Verbiegen einer ebenen Fläche eine leichte Krümmung aufweisen (s. unten). Insoweit wird sprachlich auf die Referenzfläche vor (gedachter) Modifikation abgestellt. Von Bedeutung sind insbesondere Ausführungsformen, bei denen die Gradientenspulen jeweils ein lineares magnetisches Gradientenfeld erzeugen.It should be noted that the arrangement on surfaces means that the conductors are geometrically arranged on surfaces. A planar surface may have a slight curvature by (imagining) bending a flat surface (see below). In that regard, linguistically, the reference surface is replaced by (imaginary) modification. Of particular importance are embodiments in which the gradient coils each generate a linear magnetic gradient field.
In einer präferierten Ausführungsform ist das Gradientensystem dadurch gekennzeichnet, dass die n identischen Gradientenspulen ineinander überführt werden, wenn das Gradientensystem um eine z-Achse des Gradientensystems im Fall von n = 2 um einen Winkel α1 = 90° oder im Fall von n = 3 um einen Winkel α2=120° rotiert wird, unabhängig davon, ob in die eine oder die andere Richtung rotiert wird, das Gradientensystem somit hinsichtlich der n identischen Gradientenspulen im Fall von n = 2 eine 90°-Symmetrie oder im Fall von n = 3 eine 120°-Symmetrie aufweist.In a preferred embodiment, the gradient system is characterized in that the n identical gradient coils are converted into each other when the gradient system about a z-axis of the gradient system in the case of n = 2 by an
Hierbei ist zu beachten, dass mit identischen Gradientenspulen gemeint ist, dass die stromführenden Leiter dieser Gradientenspulen identisch sind. Der Term "die n identischen Gradientenspulen" kann somit ersetzt werden durch "die identisch ausgeformten stromführenden Leiter der n Gradientenspulen" oder durch eine ähnliche Formulierung. Außerdem ist zu beachten, dass die 90°-Symmetrie bzw. die 120°-Symmetrie bezüglich der Rotationsachse (hier als "eine z-Achse des Gradientensystems" bezeichnet) besteht. In anderen Worten sind die stromführenden Leiter von den n der drei Gradientenspulen identisch ausgeformt, wenn sie im Fall von n = 2 um einen Winkel α1 = 90° oder im Fall von n = 3 um einen Winkel α2 =120° um eine z-Achse des Gradientensystems rotiert werden, unabhängig davon, ob in die eine oder die andere Richtung rotiert wird. Außerdem ist zu beachten, dass mit "einer z-Achse" nicht unbedingt die z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems gemeint ist, sondern eine bestimmte Raumrichtung. Bei einer zylinderförmig ausgeformten Geometrie entspricht die z-Achse der Zylinderachse, bei einer planaren Geometrie der Richtung, die orthogonal zu der planaren Geometrie orientiert ist (s. unten).It should be noted that with identical gradient coils it is meant that the current-carrying conductors of these gradient coils are identical. The term "the n identical gradient coils" can thus be replaced by "the identically shaped current-carrying conductors of the n gradient coils" or by a similar formulation. It should also be noted that the 90 ° symmetry or 120 ° symmetry with respect to the axis of rotation (referred to herein as "a z-axis of the gradient system"). In other words, the current-carrying conductors of the n of the three gradient coils are formed identically, if in the case of n = 2 by an
Erfindungsgemäß ist auch ein Gradientensystem, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es zylinderförmig ausgeformt ist und dass die z-Achse der Zylinderachse, i.e. der Längsachse des zylinderförmig ausgeformten Gradientensystems, entspricht.Also contemplated by the invention is a gradient system characterized by being cylindrically shaped and having the z-axis of the cylinder axis, i. the longitudinal axis of the cylindrically shaped gradient system corresponds.
In einer vorteilhaften Ausführung ist das zylinderförmig ausgeformte Gradientensystem dadurch gekennzeichnet, dass n = 3 und α2 = 120°, und dass die Ausdehnung der n Gradientenspulen in azimutaler Richtung 360° beträgt, wobei mit azimutaler Richtung die (in kartesischen Koordinaten sich verändernde) Richtung auf der zylinderförmig ausgeformten Oberfläche um die Zylindergeometrie herum gemeint ist.In an advantageous embodiment, the cylindrically shaped gradient system is characterized in that n = 3 and
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist das zylinderförmig ausgeformte Gradientensystem dadurch gekennzeichnet, dass n = 3 und α2 = 120°, und dass die Ausdehnung der n Gradientenspulen in azimutaler Richtung mehr als 360° beträgt α2 = 120°.In a further advantageous embodiment, the cylindrically shaped gradient system is characterized in that n = 3 and
Von besonderem Interesse ist auch ein zylinderförmig ausgeformtes Gradientensystem, das dadurch gekennzeichnet ist, dass n = 2 und α1 = 90°, und dass die n = 2 identischen Gradientenspulen Transversalspulen bilden, die orthogonale Gradientenfelder in der Transversalebene der zylinderförmigen Geometrie des Gradientensystems erzeugen und die dritte Gradientenspule als Longitudinalspule ausgebildet ist, und wobei die zwei Transversalspulen in azimutaler Richtung offen ausgeformt sind.Of particular interest is also a cylindrically shaped gradient system, characterized in that n = 2 and
Hierbei meint die offene Ausformung der Transversalspulen, dass die stromführenden Leiter offen ausgeformt sind. Auch eine geschlossene oder eine halb-geschlossene Ausformung kann sinnvoll sein. Die Gradientenfelder sind per definitionem lineare Gradientenfelder.Here, the open shape of the transverse coils means that the current-carrying conductors are formed open. Even a closed or semi-closed shape may be useful. The gradient fields are by definition linear gradient fields.
In einer präferierten Ausführungsform ist das zylinderförmig ausgeformte Gradientensystem mit n = 2 identischen Transversalspulen dadurch gekennzeichnet, dass jede Transversalspule aus zwei Elementen besteht, die jeweils in azimutaler Richtung eine Ausdehnung von 180° haben und um 180° gegeneinander rotiert sind, wobei jedes Element selbst
- c. offen,
- d. spiralförmig oder
- e. stufenförmig mit einer Stufe in der Mitte zwischen 0° und 180° ausgestaltet ist.
- c. open,
- d. spiral or
- e. is designed stepwise with a step in the middle between 0 ° and 180 °.
Die Erfindung erstreckt sich auch auf ein Gradientensystem, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es planar oder biplanar ausgeformt ist, und dass die z-Achse derjenigen Achse entspricht, die orthogonal zu den planaren oder biplanaren Leiteroberflächen orientiert ist.The invention also extends to a gradient system which is characterized in that it is formed planar or biplanar, and that the z-axis corresponds to that axis, which is oriented orthogonal to the planar or biplanar conductor surfaces.
Wie oben schon angedeutet und unten genauer ausgeführt, wird im Rahmen dieser Erfindung ein Gradientensystem, welches aus im Wesentlichen planaren Gradientenspulen aufgebaut ist, als planar (bzw. biplanar) bezeichnet. Auch Gradientenspulen, die durch (gedachte) geringfügige Verbiegung aus einer exakt ebenen Spule hervorgehen, werden in diesem Zusammenhang nicht als "im Wesentlichen planar", sondern schlicht als "planar" bezeichnet (bzw. biplanar). Die z-Achse ist bei einer im Wesentlichen biplanaren Gradientenspule diejenige, die durch die kürzeste Verbindung der beiden Teilspulen bestimmt wird. Wird im Rahmen dieser Erfindung von einem Azimutalwinkel in Bezug auf planare oder biplanare Gradientensysteme gesprochen, so ist hiermit der Rotationswinkel in Bezug auf diese z-Achse gemeint.As already indicated above and explained in more detail below, in the context of this invention, a gradient system, which is constructed from essentially planar gradient coils, is referred to as planar (or biplanar). Even gradient coils, which emerge from an exactly flat coil by (imaginary) slight bending, are not referred to in this context as "essentially planar" but simply as "planar" (or biplanar). In the case of a substantially biplanar gradient coil, the z-axis is that which is determined by the shortest connection of the two partial coils. Is in the context of this invention of an azimuthal angle with respect to planar or Biplanar gradient systems spoken, so hereby the rotation angle with respect to this z-axis is meant.
Eine vorteilhafte Ausführungsform eines planaren oder biplanaren Gradientensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass n = 3 und α2 = 120°.An advantageous embodiment of a planar or biplanar gradient system is characterized in that n = 3 and
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist das planare oder biplanare Gradientensystem dadurch gekennzeichnet, dass n = 2 und α1 = 90° beträgt, und dass die n = 2 identischen Gradientenspulen Transversalspulen bilden, die orthogonale Gradientenfelder in der Transversalebene der planaren oder biplanaren Geometrie des Gradientensystems erzeugen, und die dritte Gradientenspule als Longitudinalspule ausgebildet ist.In a further advantageous embodiment, the planar or biplanar gradient system is characterized in that n = 2 and
Die oben für eine zylinderförmige Ausformung eines Gradientensystems genannten vorteilhaften Ausführungsformen haben jeweils eine Entsprechung bei planarer Ausformung. Diese entsprechenden planaren Ausführungsformen sind ebenfalls vorteilhafte Ausprägungen dieser Erfindung.The advantageous embodiments mentioned above for a cylindrical shape of a gradient system each have a correspondence with a planar shape. These corresponding planar embodiments are also advantageous embodiments of this invention.
Zu beachten ist, dass alle vorteilhaften Ausführungen der erfindungsgemäßen Gradientensysteme so ausgestaltet sein können, dass die drei Hauptgradientenspulen durch Kompensationsspulen für eine aktive Abschirmung der magnetischen Felder nach außen ergänzt sind.It should be noted that all advantageous embodiments of the gradient systems according to the invention can be configured such that the three main gradient coils are supplemented by compensation coils for active shielding of the magnetic fields to the outside.
Insbesondere wird es in einer Reihe von praktischen Anwendungen der erfindungsgemäßen Gradientensysteme nützlich sein, wenn die verwendeten Gradientenspulen kräftemäßig ausbalanciert sind.In particular, it will be useful in a number of practical applications of the gradient systems of the invention if the gradient coils used are balanced in terms of their forces.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich nicht nur auf Gradientensysteme, sondern auch auf Gradientenspulen, die in einem solchen erfindungsgemäßen Gradientensystem verwendet werden.The present invention relates not only to gradient systems but also to gradient coils used in such a gradient system according to the invention.
Insbesondere fällt in den Rahmen der vorliegenden Erfindung auch eine Gradientenspule zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Gradientensystem der oben beschriebenen Art, wobei die Gradientenspule stromführende Leiter aufweist, die auf einer planaren oder gekrümmten Fläche angeordnet und in azimutaler Richtung geschlossen, halb-geschlossen oder offen ausgeformt sind, und wobei die Gradientenspule aus einem oder aus zwei Elementen aufgebaut ist und, sofern die Gradientenspule aus einem Element besteht, eine Ausdehnung in azimutaler Richtung von 360° oder mehr hat oder, sofern die Gradientenspule aus zwei Elementen besteht, jedes Element eine Ausdehnung in azimutaler Richtung von 180° hat,
dadurch gekennzeichnet,
dass jedes Element spiralförmig und/oder stufenförmig ausgeformt ist.In particular, the scope of the present invention also includes a gradient coil for use in a gradient system according to the invention of the type described above, the gradient coil having current-carrying conductors arranged on a planar or curved surface and closed, half-closed or open in the azimuthal direction and wherein the gradient coil is constructed of one or two elements and, if the gradient coil consists of one element, has an extension in the azimuthal direction of 360 ° or more or, if the gradient coil consists of two elements, each element has an extension in azimuthal Has direction of 180 °,
characterized,
that each element is formed spirally and / or stepped.
Im Fall, dass die Gradientenspule aus zwei Elementen besteht, ist es vorteilhaft, wenn die stufenförmige Ausgestaltung der Elemente eine Stufe in der Mitte zwischen 0° und 180° hat. Von besonderem Interesse sind (im Wesentlichen) zylinderförmig oder (im Wesentlichen) planar ausgeformte Gradientenspulen. Zu beachten ist auch, dass aus der Tatsache, dass die Gradientenspule in einem erfindungsgemäßen Gradientensystem verwendet werden soll, konstruktive Besonderheiten bestehen. So müssen die Elemente in der Art spiralförmig und/oder stufenförmig ausgeformt sein, dass n=(2-1) oder n=(3-1) weitere identische Gradientenspulen zu einem Gradientensystem angeordnet werden können. Dies bedeutet insbesondere, dass ein "Ineinanderverschachteln" möglich sein muss. In anderen Worten ist eine erfindungsgemäße Gradientenspule dadurch gekennzeichnet, dass bei gedachtem (n-1)-fachem identischen Nachbau der Spule, mit n = 2 oder n = 3, die Flächen, auf denen die stromführenden Leiter der n Spulen angeordnet sind, sich nicht durchdringen. Dabei ist zu beachten, dass die Flächen von stromführenden Leitern nicht bloß gedachte Flächen ohne Ausdehnung sind, sondern dass diese Flächen eine reale Dicke haben, die von der Dicke der verwendeten stromführenden Leiter und deren Isolierungen abhängt. Dieser Bereich beträgt in aller Regel nicht weniger als einen Millimeter und nicht mehr als einen oder wenige Zentimeter, je nach Größe und Leistungsfähigkeit der der Spule. Dem Fachmann ist bewusst, welche Dicke konkret realisiert werden sollte.In the case where the gradient coil consists of two elements, it is advantageous if the step-shaped configuration of the elements has a step in the middle between 0 ° and 180 °. Of particular interest are (substantially) cylindrical or (substantially) planar shaped gradient coils. It should also be noted that constructive peculiarities exist from the fact that the gradient coil is to be used in a gradient system according to the invention. Thus, the elements must be formed in a spiral and / or step shape such that n = (2-1) or n = (3-1) further identical gradient coils can be arranged to form a gradient system. This means in particular that a "nested nesting" must be possible. In other words, a gradient coil according to the invention is characterized in that, in the case of an imaginary (n-1) -fold identical replica of the coil, with n = 2 or n = 3, the surfaces on which the current-carrying conductors of the n coils are arranged are not penetrate. It should be noted that the surfaces of current-carrying conductors are not merely imaginary surfaces without expansion, but that these surfaces a have real thickness, which depends on the thickness of the current-carrying conductors used and their insulation. This range is usually no less than one millimeter and no more than one or a few inches, depending on the size and performance of the coil. The person skilled in the art is aware of what thickness should be realized in practice.
Von Interesse sind nach den obigen Ausführungen solche Gradientenspulen, bei denen keine Durchdringung der Flächen stattfindet, wenn die Gradientenspule und die n gedachten identisch nachgebauten Gradientenspulen ein Gradientensystem im Sinne dieser Erfindung bilden. Dies bedeutet beispielsweise, dass die Gradientenspule dadurch gekennzeichnet ist, dass kein Durchdringen der Flächen stattfindet bei einem Gradientensystem, welches aus der Gradientenspule und den gedachten identisch nachgebauten Gradientenspulen gebildet wird, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die n identischen Gradientenspulen ineinander überführt werden, wenn das Gradientensystem um eine z-Achse des Gradientensystems im Fall von n = 2 um einen Winkel α1 = 90° oder im Fall von n = 3 um einen Winkel α2 =120° rotiert wird, unabhängig davon, ob in die eine oder die andere Richtung rotiert wird, das Gradientensystem somit hinsichtlich der n identischen Gradientenspulen im Fall von n = 2 eine 90°-Symmetrie oder im Fall von n = 3 eine 120°-Symmetrie aufweist. In Bezug auf eine Gradientenspule im Sinne dieser Erfindung gilt Entsprechendes auch für die anderen oben beschriebenen Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Gradientensystems.Of the above-mentioned embodiments, gradient coils in which no penetration of the surfaces takes place are of interest, if the gradient coil and the n imaginary identically reproduced gradient coils form a gradient system in the sense of this invention. This means, for example, that the gradient coil is characterized in that no penetration of the surfaces takes place with a gradient system which is formed from the gradient coil and the imaginary identically reproduced gradient coils, which is characterized in that the n identical gradient coils are converted into one another, if the Gradient system is rotated about a z-axis of the gradient system in the case of n = 2 by an
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Detailbeschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.Further advantages of the invention will become apparent from the detailed description and the drawings. Likewise, according to the invention, the above-mentioned features and those which are still further developed can each be used individually for themselves or for a plurality of combinations of any kind. The embodiments shown and described are not to be understood as exhaustive enumeration, but rather have exemplary character for the description of the invention.
Die im Folgenden kurz erläuterten Figuren der Zeichnung dienen der Veranschaulichung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung. Außerdem sollen sie verdeutlichen, wie die Erfindung ausgeführt werden kann und illustrieren teilweise Probleme, für die in der detaillierten Beschreibung Lösungen bereitgestellt werden.The figures of the drawing explained briefly below serve to illustrate exemplary embodiments of the invention. In addition, they are intended to illustrate how the invention may be carried out and in part to illustrate problems for which solutions are provided in the detailed description.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
-
Fig. 1 stellt ein optimiertes Fingerprint-Design sowie eine passende mögliche Anordnung von Stromleitern für eine zylinderförmige Gradientenspule mit offenen seitlichen Enden, aber geschlossenen Leiterplatten entlang der azimutalen Richtung dar; die Spule erzeugt einen Feldgradienten mit Transversal- wie auch mit Longitudinalkomponente. -
Fig. 2 stellt ein optimiertes Fingerprint-Design für eine erfindungsgemäße spiralförmige Spule dar mit offenen seitlichen Enden und nicht-geschlossenen (i.e. offenen) Leiterplatten entlang der azimutalen Richtung. -
Fig. 3 zeigt einen bekannten schalenförmigen Aufbau eines Gradientensystems mit Kompensationsspulen in Seitenansicht sowie zwei verschiedene mögliche Anordnungen eines erfindungsgemäßen Gradientensystems. -
Fig. 4 zeigt ein offenes spiralförmiges Design, welches nicht wie die Designs derFig. 1 undFig. 2 kräftemäßig ausbalanciert ist und gibt Aufschluss darüber, welche Geometrie die Kompensationsströme für dieses Design haben müssen, um effektiv die gleiche kräftemäßig ausbalancierte Gesamtgeometrie aufzuweisen wie das inFig. 1 dargestellte Design. -
Fig. 5 zeigt beispielhaft eine Leiterschleife für drei verschiedene Konstruktionen und veranschaulicht, dass es möglich ist, auf einfache Weise kräftemäßig ausbalancierte offene Spulendesigns zu entwickeln, wenn die Spule einen Winkel von etwasmehr als 360° entlang der azimutalen Richtung einschließt. -
Fig. 6 illustriert das Problem, dass bei geschlossenen erfindungsgemäßen Designs verbindende Stromleiter einer Gradientenspule die Leiterplatten der zwei anderen Gradientenspulen passieren müssen. Die Abbildung dient der Veranschaulichung für Lösungen, die im Text ausführlich beschrieben sind. -
Fig. 7 illustriert ein Fingerprint-Design einer herkömmlichen Transversalspule sowie zwei erfindungsgemäße Varianten eines Gradientensystems, bei dem die x- und die y-Spule völlig identisch ausgestaltet sind. -
Fig. 8 illustriert die Oberfläche einer Gradientenspule für ein erfindungsgemäßes planares Gradientensystem, bzw. die Oberfläche des oberen oder unteren Teils einer Gradientenspule für ein biplanares Gradientensystem.
-
Fig. 1 Figure 3 illustrates an optimized fingerprint design as well as an appropriate possible array of current conductors for a cylindrical gradient coil with open side ends but closed circuit boards along the azimuthal direction; the coil generates a field gradient with transverse as well as with longitudinal component. -
Fig. 2 Figure 3 illustrates an optimized fingerprint design for a spiral coil according to the invention with open lateral ends and non-closed (ie open) circuit boards along the azimuthal direction. -
Fig. 3 shows a known shell-shaped structure of a gradient system with compensation coils in side view and two different possible arrangements of a gradient according to the invention. -
Fig. 4 shows an open spiral design, which is not like the designs of theFig. 1 andFig. 2 balanced in terms of force and provides information about which geometry the compensation currents have to have for this design in order to effectively have the same balanced overall geometry as that inFig. 1 illustrated design. -
Fig. 5 FIG. 12 exemplifies a conductor loop for three different constructions and illustrates that it is possible to easily develop force balanced unbroken coil designs when the coil includes an angle of slightly more than 360 ° along the azimuthal direction. -
Fig. 6 illustrates the problem that with closed designs according to the invention connecting conductors of a gradient coil must pass through the circuit boards of the two other gradient coils. The figure is an illustration of solutions that are described in detail in the text. -
Fig. 7 illustrates a fingerprint design of a conventional transverse coil and two variants of a gradient system according to the invention, in which the x and y coil are configured completely identical. -
Fig. 8 illustrates the surface of a gradient coil for a planar gradient system according to the invention, or the surface of the upper or lower part of a gradient coil for a biplanar gradient system.
Im Folgenden werden erfindungsrelevante Grundlagen sowie spezifische Ausführungsformen der Erfindung detailliert beschrieben, wobei teilweise auf die Zeichnungen Bezug genommen wird. Die Erfindung soll jedoch nicht auf diese spezifischen Ausführungsformen beschränkt sein.In the following, principles relevant to the invention as well as specific embodiments of the invention will be described in detail, reference being partially made to the drawings. However, the invention should not be limited to these specific embodiments.
Auch wenn der in
Das in
Das in
Daraufhin wurde diese Fläche im parametrisierten Raum trianguliert. Dazu wurde die θ - z-Ebene zunächst in regelmäßige Vierecke aufgeteilt, die dann jeweils noch einmal geteilt wurden, so dass aus jedem Viereck zwei Dreiecke erzeugt wurden. Insgesamt wurden 2880 Dreiecke erzeugt. Dabei wurde wegen der Geschlossenheit des Designs (i.e. der Geschlossenheit der stromführenden Leiter) darauf geachtet, dass Dreiecke in azimutaler Richtung keine Berandung haben, sondern auch bei 0° miteinander in Verbindung stehen.Then this area was triangulated in parameterized space. For this purpose, the θ - z plane was first divided into regular quadrilaterals, which were then divided once again so that two triangles were generated from each quadrilateral. In total, 2880 triangles were generated. Because of the closedness of the design (ie the closedness of the current-carrying conductors), it was ensured that triangles in the azimuthal direction have no boundary, but are also in contact with each other at 0 °.
Als nächstes wurde eine stream function Ψ = Σ iIiϕi mit Gewichten Ii und Basisfunktionen ϕi generiert, wobei jedoch nicht die in [7] dargestellten Basisfunktionen gewählt wurden, sondern sogenannte, dem Fachmann bekannte, "triangular linear shape functions". Sei j definiert als die Stromdichte. Nun ist j = ∇ × (Ψ n), wobei n der Normalenvektor zur Oberfläche ist; aufgrund dieser Beziehung wurde die Stromdichte mithilfe der Definition der stream function berechnet.Next, a stream function Ψ = Σ i I i φ i was generated with weights I i and basis functions φ i , but not the basic functions shown in [7] were selected, but so-called "triangular linear shape functions" known to those skilled in the art. , Let j be defined as the current density. Now, j = ∇ × ( Ψ n ), where n is the normal vector to the surface; Because of this relationship, the current density was calculated using the definition of the stream function .
Als nächstes wurde das Zielfunktional
Die Abweichung von gewolltem und tatsächlichem Magnetfeld wird in einer ROI (region of interest) bestimmt, indem K äquidistante Punkte x k gewählt werden, die alle innerhalb des ROIs liegen und dieses ausfüllen. Für die Berechnungen wurde ein kugelförmiges ROI mit einem Radius von rROI = 20cm gewählt und K = 1000. P beschreibt die Verlustleistung, die durch Gleichung [[2]] in [4] gegeben ist und unmittelbar mit der Oberflächengeometrie und der Stromverteilung zusammenhängt.The deviation from the wanted and the actual magnetic field is determined in an ROI (region of interest) by choosing K equidistant points x k , which are all within the ROI and fill it. For the calculations, a spherical ROI with a radius of r ROI = 20cm was chosen and K = 1000. P describes the power loss given by equation [[2]] in [4] and is directly related to surface geometry and current distribution.
α ist ein Parameter, der einen Trade-off zwischen Feldlinearität darstellt und Minimierung der Verlustleistung. Dieser Parameter wurde so gewählt, dass die größte Abweichung von der Linearität 5% ± 0.01% betrug. Dabei wurde die Abweichung dadurch bestimmt, dass die maximale Differenz von gewollter und tatsächlicher Magnetfeldstärke innerhalb des ROIs mit der maximalen gewollten Magnetfeldstärke innerhalb des ROIs durch Division der beiden Werte in Beziehung gesetzt wurde. α is a parameter that represents a trade-off between field linearity and minimization of power dissipation. This parameter was chosen such that the largest deviation from linearity was 5% ± 0.01%. The deviation was determined by relating the maximum difference between desired and actual magnetic field strength within the ROI to the maximum desired magnetic field strength within the ROI by dividing the two values.
Die vektorielle Größe λ beschreibt Lagrange-Multiplikatoren und M die drei Komponenten des Drehmomentes wie in den Gleichungen [[19-21]] von [7] definiert. Mit Hinzunahme dieses dritten Termes wurde somit sichergestellt, dass die resultierende Gradientenspule kräftemäßig ausbalanciert ist.The vectorial magnitude λ describes Lagrange multipliers and M the three components of the torque as defined in equations [[19-21]] of [7]. With the addition of this third term was thus ensured that the resulting gradient coil is balanced in terms of strength.
Das weitere Vorgehen unterschied sich nicht von dem in [7] beschriebenen und schon bei der Beschreibung des Standes der Technik repetierten Verfahren. Dabei wurde zur Lösung des resultierenden Gleichungssystems der "\"-Operator von Matlab (The MathWorks, Natick, MA) verwendet. Es soll jedoch betont werden, dass diese Erfindung nicht auf Gradientenspulen beschränkt ist, die durch die hier verwendete Methode gefunden werden können. Jede Methode kann verwendet werden, es kommt allein darauf an, dass die resultierenden Felder einen Gradienten entlang der Richtung e erzeugen. Selbst eine rein intuitive Herangehensweise kann zu aussagekräftigen Anordnungen von Stromleitern einer Gradientenspule führen (so wurden beispielsweise die die oberen mit den unteren Stromleitern verbindenden Stromleiter in
Das in
Die im letzten Abschnitt erörterte Methode wurde auch verwendet, um Stromverteilungen für eine Transversal- und eine Longitudinalspule mit einem Radius von 35cm zu finden (die Stromverteilung der Transversalspule ist in
- Gradientenstärke der Longitudinalspule/Transversalspule:
- Gradient strength of the longitudinal coil / transverse coil:
Der Vergleich der Werte zeigt, dass die Spule mit schräger Kodierrichtung Eigenschaften hat, die zwischen denen liegen, die herkömmliche Transversal-und Longitudinalspulen aufweisen, was der Tatsache geschuldet ist, dass die Kodierrichtung einen Anteil entlang der Longitudinalachse aufweist sowie einen, der in der Transversalebene liegt. So ist das in
Der Strom fließt zunächst zum ersten Wirbel, der linksdrehend den Strom in immer kleiner werdenden Wicklungen befördert. In der Mitte verlässt der Strom den Wirbel über eine entlang der negativen z-Achse gerade Leiterbrücke 015a (und daher ohne effektiven Beitrag zum Gradientenfeld) und fließt in den zweiten Wirbel, der sich nach außen dreht und rechtsdrehend ist. Nach einigen wirbeiförmigen Windungen verlässt der Strom den Wirbel in die negative azimutale Richtung und windet sich mehrfach um die Zylindergeometrie. Die sich anschließende Leiteranordnung mit Wirbel, Leiterbrücke 015b, Wirbel und Wicklungen entspricht der soeben beschriebenen Anordnung, jedoch in θ - z -Koordinaten um 180° verdreht. Der Strom verlässt die Zylindergeometrie in der Nähe des stromzuführenden Leiters 012a über einen stromabführenden Leiter 012b, der für einen geschlossenen Stromkreis über die Stromquelle 014 sorgt.The current first flows to the first vortex, which conveys the current in smaller and smaller windings to the left. In the middle, the current leaves the vortex via a straight 015a (and thus without an effective contribution to the gradient field) straight along the negative z-axis and flows into the second vortex, which turns outward and is dextrorotatory. After a few vortex-shaped turns, the current leaves the vortex in the negative azimuthal direction and winds several times around the cylinder geometry. The subsequent conductor arrangement with vortices,
Die in
Diese in
Erfindungsgemäße Stromverteilungen bzw. Anordnungen von stromführenden Leitern unterscheiden sich zwar in ihrer konkreten Geometrie (d.h. in der Fläche, auf der die Stromleiter angeordnet sind) von bisher existierenden Designs. Das in
Der Fachmann wird daher im Rahmen dieser Erfindung in der Regel auf bereits bekannte Methoden zurückgreifen können. Insbesondere gelten die zu
Wie schon angesprochen kann das in
Beispielhaft soll hier ein Vorteil beschrieben werden, der dadurch entsteht, dass nach dieser Erfindung vollständig identische Spulen verwendet werden. Im letzten Abschnitt wurde gezeigt, dass es Effizienzunterschiede von bis zu 10% gibt, wenn Gradientenspulen eines Gradientensystems auf Schichten unterschiedlicher Radien konstruiert werden, der in [P1] =
Dies führt dazu, dass je nach Kodierrichtung das Gradientensystem nach dem Stand der Technik unterschiedlich effizient ist, so dass auch die Verlustleistung von der Kodierrichtung abhängt, was den ungünstigen Effekt hat, dass auch die Wärmeentwicklung von der Kodierrichtung abhängt.As a result, depending on the coding direction, the gradient system according to the prior art is differently efficient, so that the power loss also depends on the coding direction, which has the unfavorable effect that the heat generation also depends on the coding direction.
Dies führt seinerseits zu Beschränkungen bei Aufnahmen mit einem MR-Tomographen. Es soll nun detailliert gezeigt werden, dass die Verlustleistung unabhängig ist von der Kodierrichtung, wenn ein erfindungsgemäßes Gradientensystem gewählt wird.This in turn leads to limitations when taking pictures with an MR tomograph. It will now be shown in detail that the power loss is independent of the coding direction when a gradient system according to the invention is selected.
Dies wird anhand eines Magic-Angle-Gradientensystems gezeigt, allerdings gelten die gleichen Überlegungen für erfindungsgemäß ausgeformte Transversalspulen, wobei hier zudem beachtet werden muss, dass eine konstante Verlustleistung nur für solche Kodierrichtungen besteht, die die gleiche z-Komponente aufweisen, d.h. die Überlegungen gelten nur für Variationen der Kodierrichtung entlang eines Vektors in der Transversalebene.This is shown by means of a magic-angle gradient system, but the same considerations apply to transversal coils formed according to the invention, it being also noted here that a constant power dissipation exists only for those coding directions which have the same z-component, i. the considerations apply only to variations of the coding direction along a vector in the transverse plane.
Des Weiteren wird davon ausgegangen, dass die drei von den Gradientenspulen erzeugten Gradientenrichtungen
Nun können im Allgemeinen die Spulen mit unterschiedlichen Stromstärken I 1,2,3 betrieben werden. Aufgrund des Superpositionsprinzips ergibt sich dann für das resultierende Gradientenfeld
Nun ist aber die Verlustleistung P gegeben durch die Summe der in jeder einzelnen Spule entstehenden Verlustleistung P 1,2,3, d.h.
Wird nun ein Gradientensystem mit geschlossenen stufenförmigen Flächen von stromführenden Leitern im Sinne dieser Erfindung wie in
So wäre es beispielsweise möglich, die in
Gradientensystem bezogen werden, auf die Gradientenspulen, die Flächen von stromführenden Leitern beziehungsweise auf die Anordnung der stromführenden Leiter. Das gleiche gilt, wenn der Begriff "Design" verwendet wird oder "die Anordnung" oder dergleichen. Ähnliches gilt für die Begriffe "spiralförmig und/oder stufenförmig", die eine einheitliche Eigenschaft beschreiben, unabhängig davon, ob beispielsweise davon gesprochen wird, dass die Gradientenspulen (oder Elemente dieser Spulen) selbst diese Eigenschaft haben oder die Flächen (bzw. Oberflächen), auf denen die stromführenden Leiter der Gradientenspulen angeordnet sind.Gradient system, the gradient coils, the surfaces of current-carrying conductors or on the arrangement of the current-carrying conductor. The same applies if the term "design" is used or "the arrangement" or the like. The same applies to the terms "spiral-shaped and / or stepped", which describe a uniform property, regardless of whether it is spoken, for example, that the gradient coils (or elements of these coils) themselves have this property or the surfaces (or surfaces), on which the current-carrying conductors of the gradient coils are arranged.
Das offene Design bedingt, dass die stromführenden Leiter 021 der Spule in azimutaler Richtung offen ausgeformt sind. Das spiralförmige Design kann auch als "im Wesentlichen zylinderförmig" oder schlicht als "zylinderförmig" bezeichnet werden, da die Abweichung von einer reinen zylinderförmigen Geometrie gering ist und immer noch gut einer zylinderförmigen Bohröffnung angepasst ist. Ein Gradientensystem, welches aus solchen spiralförmigen (und/oder stufenförmigen) Gradientenspulen besteht, soll somit auch selbst noch als "zylinderförmig" bezeichnet werden. Soweit durch den Kontext keine Verwechslungsgefahr besteht, gilt diese sprachliche Vereinfachung auch für die Gradientenspulen selbst, bzw. für die Flächen, auf denen die stromführenden Leiter angeordnet sind.The open design implies that the current carrying
Bei dem Optimierungsproblem wurden anders als für die Berechnung des geschlossenen Designs die Dreiecke des Meshes des rechten Randes nicht mit denjenigen des linken Randes verbunden. Die Seitenlinien 022 bildeten vielmehr einen Teil des Randes in der Berechnung eines optimalen Designs.In the optimization problem, unlike the closed design, the triangles of the mesh of the right edge were not connected to those of the left edge. The
Bezüglich der Spiralform wurde bei der Berechnung Folgendes beachtet: Anstatt der im zweiten Abschnitt der detaillierten Beschreibung zu
Neben diesen Abweichungen wurden dieselben Parameter verwendet wie in dem in
Weitere nicht dargestellte Ausführungsformen sind halb-geschlossen oder vollständig geschlossen. Dabei ist ähnlich wie bei dem in
Das stufenförmige Design hat unter anderem den Vorteil gegenüber dem spiralförmigen Design, dass es sich in sehr einfache Art an eine zylinderförmige Geometrie anpasst, was Vorteile bei der Produktion mit sich bringen kann; so können beispielsweise einfach geformte zylinderförmige Montageelemente ohne besondere Ausgestaltung verwendet werden. Allerdings ergibt sich ein erhöhter Montageaufwand an den Stellen, an denen die Leiter von der inneren auf die äußere Schicht wechseln.The step-shaped design has, among other things, the advantage over the spiral design that it adapts in a very simple way to a cylindrical geometry, which can bring advantages in production; For example, simply shaped cylindrical mounting elements can be used without special design. However, there is an increased installation effort at the points where the conductors change from the inner to the outer layer.
Dieses Problem besteht nicht bei Verwendung spiralförmiger Designs, da sich hier der Abstand zum Zentrum kontinuierlich ändert, so dass die Spulen einfach aufgewickelt werden können. Allerdings könnte es sinnvoll sein, die zylinderförmigen Montageelemente mit Keilen oder ähnlichen Besonderheiten auszustatten, um eine korrekte Biegung der Spulenelemente bei der Konstruktion des Gradientensystems sicherzustellen.This problem does not exist when using spiral designs, since the distance to the center changes continuously, so that the coils can be easily wound up. However, it might be worth the To provide cylindrical mounting elements with wedges or similar features to ensure correct bending of the coil elements in the construction of the gradient system.
Auch erfindungsgemäß sind solche Ausführungsformen, die einer spiralförmigen oder stufenförmigen Konstruktion ähnlich sind. So ist es beispielsweise möglich, dass die Leiterbrücken 034a, 034b oder 035 unabhängig voneinander steiler (bis hin zu vertikal) verlaufen oder flacher; in diesem Sinn stellt das spiralförmige Design einen Extremfall besonders flacher Leiterbrücken dar. Auch andere als gerade Leiterbrücken sind denkbar, beispielsweise solche mit nicht-abrupter Richtungsänderung. Auch eine Kombination von spiralförmiger und stufenförmiger Konstruktion könnte im Einzelfall von Nutzen sein.Also according to the invention are those embodiments which are similar to a spiral or stepped construction. For example, it is possible for the
Die Erfindung bezieht sich auf solche Variationen und weitere ähnliche Ausführungsformen. Dabei ist zu beachten, dass sich die identische 120°-Symmetrie nur auf die stromführenden Leiter des Gradientensystems bezieht, deren primäres Ziel darin besteht, ein magnetisches Feld innerhalb des Gradientensystems zu erzeugen (Entsprechendes gilt für alle in dieser Schrift beschriebenen Gradientensysteme, auch für Gradientensysteme mit zwei identischen Transversalspulen (s. z.B.
Die in
Allerdings ist zunächst Vorsicht geboten, wie sich aus
Es bestehen nun mehrere Möglichkeiten, mit diesem Problem umzugehen. Eine Möglichkeit besteht darin, ein Design zu akzeptieren, welches nicht 100% kräftemäßig ausbalanciert ist.There are now several ways to deal with this problem. One possibility is to accept a design that is not 100% balanced in terms of strength.
Ein sinnvolles Design könnte beispielsweise in der Art entwickelt werden, dass der Term λM in dem Zielfunktional Φ durch den Term ωM ersetzt wird, wobei ω kein Vektor von drei Lagrange-Multiplikatoren ist, sondern ein Vektor mit drei zusätzlichen Gewichten, durch deren Variation der Grad dessen angepasst werden kann, wie sehr das resultierende Design kräftemäßig ausbalanciert ist.For example, a meaningful design could be developed in such a way that the term λM in the objective function Φ is replaced by the term ωM , where ω is not a vector of three Lagrange multipliers, but a vector with three additional weights, by varying the degree can be adapted to how much the resulting design is balanced in terms of strength.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, wie in
Bei der in
Auch besteht die Möglichkeit, eines halb-offenen Designs, bei dem ein Teil der Stromleiter des einen Endes mit dem anderen Ende verbunden werden, ein Teil aber ähnlich wie die grau eingefärbten Leiter am Spulenende zurückgeführt werden. Dies erhöht die Effizienz, reduziert das Problem des Kräftegleichgewichts (i.e. des kräftemäßigen Ausbalanciertseins) und vereinfacht die Verdrahtung auch bei erfindungsgemäßen, zum Beispiel bei spiralförmigen Designs.There is also the possibility of a half-open design in which a part of the current conductors of one end are connected to the other end, but a part similar to the gray-colored conductors at the coil end recycled become. This increases efficiency, reduces the problem of balance of forces (ie, balance in terms of power), and simplifies wiring even in inventive, for example, spiral designs.
Des Weiteren kann es sehr nützlich sein, von vorneherein ein kräftemäßig ausbalanciertes Grunddesign zu entwickeln. Dass dies ohne größere Schwierigkeiten möglich ist, zeigt
Betrachte zunächst
Wie
Während also ein zu kleiner Winkel (Θ max = 360°) in diesem Fall ein negatives Drehmoment aufweist, existiert ein positives Drehmoment, wenn der Winkel zu groß gewählt wird. Es muss somit einen optimalen Winkel geben, bei dem das resultierende Drehmoment exakt verschwindet.Thus, if too small an angle (Θ max = 360 °) has a negative torque in this case, a positive torque exists if the angle is set too large. There must thus be an optimum angle at which the resulting torque disappears exactly.
Diese Situation ist in
Dem Fachmann ist bekannt, wie Drehmomente M berechnet werden können. So weiß er, dass es sich aus dem Vektorprodukt von magnetischem Moment m und Magnetfeld B, d.h. M = m × B, ergibt, wobei m = I/2 ∫ ┌ x × dx ; in dieser Definition wird mit I die Stromstärke in einem Leiter entlang der Kurve ┌ bezeichnet und x bezeichnet den Ortsvektor.The person skilled in the art knows how torques M can be calculated. So he knows that it results from the vector product of magnetic moment m and magnetic field B , ie M = m × B , where m = I / 2 ∫ ┌ x × dx; in this definition, I denotes the current in a conductor along the curve ┌ and x denotes the position vector.
Beispielsweise ist das resultierende Drehmoment für eine ebene Leiterschleife proportional zu der Fläche, die von der Leiterschleife umschlossen wird, wobei die Fläche positiv zählt bei Stromfluss in positiver Richtung und negativ bei Stromfluss in negativer Richtung. In erster Näherung ist somit ein kräftemäßig ausgeglichenes Design dadurch ausgezeichnet, dass sich bei der sich aus drei Teilen zusammensetzenden Netto-Stromschleife 057 die Summe der oberen und der unteren Fläche gerade der mittleren Fläche entspricht.For example, the resulting torque for a planar conductor loop is proportional to the area enclosed by the conductor loop, where the area counts positive with current flow in the positive direction and negative with current flow in the negative direction. Thus, in a first approximation, a balanced design is characterized by the fact that in the three-part net
Dies stimmt für zylinderförmige Designs nur approximativ, da es sich nicht um ebene Leiterschleifen handelt, allerdings weiß der Fachmann, wie er exakte Berechnungen durchführen müsste; so könnte er beispielsweise die oben angegebene Formel für die Berechnung des Drehmomentes verwenden.This is true only approximately for cylindrical designs, since they are not planar conductor loops, but the skilled person knows how he would have to perform exact calculations; For example, he could use the formula given above to calculate the torque.
Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass es durchaus technische Vorteile haben kann, eine Anordnung zu wählen mit einer Ausdehnung entlang der azimutalen Richtung von mehr als genau einer Umrundung. Dabei können wenige Grad ausreichend sein, allerdings bieten sich umso mehr Freiheitsgrade und somit Optimierungsmöglichkeiten, je größer die Ausdehnung der Gradientenspule in azimutaler Richtung ist, da in diesem Fall eine größere Fläche für das Platzieren von Stromleitern zur Verfügung steht.In summary, it can be said that it may well have technical advantages to choose an arrangement with an extension along the azimuthal direction of more than one rounding. In this case, a few degrees may be sufficient, however, the greater the extent of the gradient coil in the azimuthal direction, the more degrees of freedom and therefore optimization possibilities are available, since in this case a larger area is available for the placement of conductors.
Realisierbar wird ein solches Design durch einen spiralförmigen, aber auch durch einen stufenförmigen oder ähnlichen Aufbau des Gradientensystems. Neben vollständig offenen Designs können zur Effizienzsteigerung auch teilweise offene (i.e. halb-geschlossene) Designs gewählt werden, bei denen nur ein Teil der stromführenden Leiter wie in
Dies ist in
Dies ist technisch allerdings durchaus realisierbar, wie
Da es sich um eine 120°-Symmetrie handelt, genügt es, in
Es fällt auf, dass es Bereiche gibt, in denen die Dichte der Stromleiter gering ist. In diesen Bereichen können die vertikal verlaufenden Stromleiter nahezu ungehindert passieren (evtl. ist geringfügiges Verschieben bzw. Verbiegen von Leitern notwendig). Allerdings gibt es auch Bereiche höherer Stromleiterdichte, die nicht ohne Weiteres gekreuzt werden können. An diesen Stellen ist es notwendig, technische Vorkehrungen zu treffen.It is noticeable that there are areas where the density of the conductors is low. In these areas, the vertical current conductors can pass through almost unhindered (possibly slight shifting or bending of conductors is necessary). However, there are also areas of higher conductor density, which can not be crossed easily. At these points it is necessary to make technical arrangements.
Dies kann entweder dadurch erreicht werden, dass an Orten hoher Dichte von Stromleitern (a) die Anzahl der vertikal verlaufenden Stromleiter reduziert wird, oder aber indem (b) die Dichte der horizontal verlaufenden Stromleiter (die von den vertikal verlaufenden, verbindenden Stromleitern gekreuzt werden) reduziert wird.This can be achieved either by reducing the number of vertically extending conductors at high density locations of conductors (a) or by (b) increasing the density of the horizontal conductors (crossed by the vertical connecting conductors). is reduced.
Zu (a): Es bestehen mehrere Möglichkeiten, die Anzahl der vertikal verlaufenden Stromleiter zu reduzieren.
- (i) Die in
Fig. 6 dargestellte Situation weicht mit einem Verkippungswinkel von 45° gegenüber der Transversalebene vom Optimum ab, welches bei 35,26° liegt. Wird der Verkippungswinkel reduziert, erhöht sich der Transversalanteil der Spule und der Longitudinalanteil wird kleiner. Da aber nur der Longitudinalanteil Wicklungen um den Spulenkörper mit sich bringt, reduziert sich die Anzahl der Wicklungen, wenn ein kleinerer Verkippungswinkel gewählt wird, so dass weniger vertikal verlaufende Stromleiter benötigt werden. - (ii) Eine weitere Möglichkeit, die Anzahl der vertikal verlaufenden Stromleiter in dichten Bereichen zu reduzieren besteht darin, die Position zu verändern, an der die Stromleiter von außen nach innen geführt werden. Dies kann durch eine Verschiebung entlang der z-Richtung oder aber der θ-Richtung erfolgen. Entlang der z-Richtung besteht sogar die Möglichkeit, einen einzigen, mehrere oder sogar alle Stromleiter über den Rand von z = ±60cm hinauszuführen, um sie dann neben der Spule von außen nach innen zu führen; wird dies getan, können die Stromleiter dann wieder entlang der entgegengesetzten z-Richtung an die richtige Position zurückgeführt werden. Diese Herangehensweise hat den Vorteil, dass keine störenden Stromleiter der anderen beiden Gradientenspulen passiert werden müssen. Außerdem hat ein Leiter, der entlang der z-Achse verläuft, keinen Beitrag zum für die Kodierung relevanten Bz -Feld, so dass diese Leiterstücke auf die Kodierung selbst so gut wie keinen Einfluss haben.
Neben der Möglichkeit, die Stromleiter jenseits des Randes der Spule vertikal hinabzuführen, bietet vor allem auch die Mitte bei z = 0 viel Raum für vertikal querende Stromleiter. Wie schon angesprochen kann es aber auch nützlich sein, Stromleiter nicht nur an anderen Positionen in z-Richtung vertikal hinabzuführen, sondern auch an anderen Stellen in θ-Richtung. Dies ist unproblematisch, weil es die erfindungsgemäßen Spulendesigns in der Regel zulassen, dass die Gradientenspule einen Gesamtwinkel von θ max > 360° umschließt. Bei geschlossenen Designs ist es dem Grunde nach gleichgültig, bei welchem θ -Winkel das eine mit dem anderen Ende verbunden wird. Es kann daher einfach eine Stelle gewählt werden, bei der die Dichte der zu passierenden Stromleiter gering genug ist, um passiert zu werden. - (iii) Eine dritte Möglichkeit, die Anzahl der vertikal verlaufenden Stromleiter zu reduzieren, besteht darin, keine vollständig geschlossenen Anordnungen von Stromleitern zu wählen, sondern halb-geschlossene Anordnungen, bei denen ein Teil der stromführenden Leiter mit den rücklaufenden Leitern auf der anderen Seite der z-Achse verbunden werden, bis hin zu vollständig offenen Anordnungen, bei denen überhaupt kein vertikal verlaufender Leiter benötigt wird, da in diesem Fall alle Leiter mit den rücklaufenden Leitern verbunden werden, wie in
Fig. 4 dargestellt.
- (i) The in
Fig. 6 illustrated situation deviates from the optimum with a tilt angle of 45 ° relative to the transverse plane, which is at 35.26 °. If the tilt angle is reduced, the transversal component of the coil increases and the longitudinal component becomes smaller. However, since only the longitudinal portion involves windings around the bobbin, the number of windings is reduced when a smaller tilt angle is selected so that less vertical current conductors are needed. - (ii) Another way to reduce the number of vertically extending conductors in dense areas is to change the position at which the conductors are routed from outside to inside. This can be done by a displacement along the z-direction or the θ- direction. Along the z-direction there is even the possibility to lead a single, several or even all current conductors beyond the edge of z = ± 60 cm , in order to then lead them from outside to inside beside the coil; When this is done, the conductors can then be returned to the correct position along the opposite z-direction. This approach has the advantage that no disturbing current conductors of the other two gradient coils must be passed. In addition, a conductor that runs along the z-axis, no contribution to the B z field relevant for the coding, so that these conductor pieces have virtually no influence on the coding itself.
In addition to the ability to vertically down the electrical conductors beyond the edge of the coil, especially the middle at z = 0 offers much space for vertically crossing conductors. As already mentioned, however, it may also be useful to lead current conductors vertically not only at other positions in the z-direction but also in other places in the θ- direction. This is not a problem, because the coil designs according to the invention generally permit the gradient coil to encompass a total angle of θ max > 360 °. With closed designs, it basically does not matter at what angle the one is connected to the other end. It is therefore easy to choose a location where the density of the current conductors to be passed is low enough to be passed. - (iii) A third way to reduce the number of vertically extending conductors is to choose not completely closed arrays of conductors, but semi-closed arrangements in which a portion of the live conductors are connected to the return conductors on the other side Z axis can be connected to fully open arrangements in which no vertically extending conductor is needed, since in this case all conductors are connected to the returning conductors, as in
Fig. 4 shown.
Neben diesen Methoden, die Anzahl der vertikal verlaufenden Leiter in Bereichen hoher Leiterdichte der zu passierenden Gradientenspulen zu reduzieren, sind weitere Varianten der eben beschriebenen denkbar. Allerdings kann auch Methode (b) (alternativ oder auch ergänzend) herangezogen werden, wonach die Dichte der horizontal verlaufenden Stromleiter an Stellen reduziert wird, an denen vertikal verlaufende Stromleiter (die den äußeren mit dem inneren Teil einer Spule verbinden) kreuzen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass von der optimalen Geometrie abgewichen wird, indem Leiter in der θ - z-Ebene in geeigneter Weise verschoben werden.In addition to these methods of reducing the number of vertically extending conductors in regions of high conductor density of the gradient coils to be passed, further variants of those just described are conceivable. However, method (b) can be used (alternatively or in addition), according to which the density of the horizontally extending current conductors is reduced at locations where vertical current conductors (which connect the outer to the inner part of a coil) intersect. This can be achieved by having is deviated from the optimum geometry by moving conductors in the θ - z plane appropriately.
Es ist auch in Grenzen möglich, den Leiterquerschnitt zu reduzieren, jedenfalls in der z- oder der θ-Richtung. Allerdings ist dem Grenzen gesetzt, da hierdurch lokal höhere Widerstände eingebaut werden, an denen möglicherweise eine ausreichende Kühlung sichergestellt werden müsste. Eine Kühlung ließe sich allerdings entlang der vertikal verlaufenden Leiter zusätzlich einbauen, so dass eine Reduzierung des Leiterquerschnittes denkbar wäre. Aufgrund der anderen hier vorgestellten Methoden, wird dies aber in der Regel nicht notwendig sein, um ein erfindungsgemäßes geschlossenes Gradientensystem zu realisieren.It is also possible within limits to reduce the conductor cross section, at least in the z or the θ direction. However, this is limited, as this locally higher resistances are installed, where possibly a sufficient cooling would have to be ensured. However, cooling could be additionally installed along the vertically extending conductor, so that a reduction of the conductor cross-section would be conceivable. Due to the other methods presented here, however, this will generally not be necessary in order to realize a closed gradient system according to the invention.
In der in
Möglich wäre es, den erfindungsgemäßen Aufbau, der in
Darüber hinaus ist eine weitere Ausgestaltung möglich, in
Dies wird aus
Konkret ist in
Die Anordnung weist somit hinsichtlich der zwei identischen Gradientenspulen eine 90°-Symmetrie auf, wobei jede Transversalspule aus zwei Elementen besteht, die jeweils in azimutaler Richtung eine Ausdehnung von 180° haben und um 180° gegeneinander rotiert sind, wobei jedes Element selbst offen, spiralförmig (
Die gezeigte Ausführungsform ist kreisförmig, allerdings sind auch andere planare Geometrien denkbar, wie beispielsweise Quadrate oder Rechtecke. Aus dem Stand der Technik sind Oberflächen bekannt, die in einer Ebene liegen. Um ein erfindungsgemäßen Gradientensystem mit identischen, lediglich gegeneinander rotierten Gradientenspulen konstruieren zu können, wird diese planare Geometrie an einer Stelle aufgeschnitten und eine Kante 082 wird gegenüber der anderen Kante 083 nach oben verbogen. Um dies zu ermöglichen, wird in der Mitte eine kleine Öffnung 081 gelassen, die so klein wie möglich gewählt wird, allerdings groß genug, um das zu verbiegende Material nicht zu beschädigen. Die resultierende Fläche von stromführenden Leitern ist nach diesem Vorgang nur noch im Wesentlichen planar. Allerdings wird im Rahmen dieser Erfindung ein Gradientensystem, welches aus solchen im Wesentlichen planaren Gradientenspulen aufgebaut ist, auch als planar (bzw. biplanar) bezeichnet. Diese sprachliche Vereinfachung gilt in der Regel auch für die Gradientenspulen selbst, bzw. für die Flächen, die von den Anordnungen der stromführenden Leiter gebildet werden (obwohl diese Flächen streng genommen eine leichte Krümmung aufweisen). Diese sprachliche Vereinfachung ist auch nützlich, wenn von planaren oder gekrümmten Flächen gesprochen wird.The embodiment shown is circular, but other planar geometries are conceivable, such as squares or rectangles. From the prior art surfaces are known which lie in one plane. In order to construct a gradient system according to the invention with identical, only mutually rotated gradient coils, this planar geometry is cut at one point and one
Nun ist es möglich, zwei (beispielsweise für x- und y-Gradienten) oder drei (beispielsweise für ein Magic-Angle-Gradientensystem) solcher verformten Gradientenspulen ineinander zu legen, so dass sie um 90° (für x- und y-Gradienten) bzw. um 120° (für die drei Magic-Angle-Gradienten) gegeneinander rotiert sind. Abgebildet ist eine Geometrie mit genau einer Rotation; analog der in
Denkbar sind, analog zu den oben ausführlich beschriebenen Ausführungsformen für zylinderförmige erfindungsgemäße Gradientensysteme, auch offene, halb-geschlossene sowie vollständig geschlossene Designs, wobei bei der Verdrahtung eine Herangehensweise gewählt werden kann wie oben im zweiten Abschnitt der detaillierten Beschreibung zu
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[P1]
EP 1 122 552 B1 EP 1 122 552 B1 -
[P2]
US 6 147 494 A US 6 147 494 A -
[P3]
EP 0 269 146 A2 EP 0 269 146 A2 -
[P4]
EP 0 231 879 B1 EP 0 231 879 B1 -
[P5]
US 5 561 371 A US 5 561 371 A -
[P6]
US 4 646 024 A US 4,646,024 A -
[P7]
US 5 177 442 A US 5 177 442 A -
[P8]
US 5 574 373 A US 5 574 373 A -
[P9]
EP 2 244 095 B1 EP 2 244 095 B1 -
[P10]
US 5 309 107 A US 5,309,107 A
Dem interessierten Fachmann ist anzuraten, die hier angegebene wissenschaftliche Literatur zu konsultieren, um die vorliegende Erfindung bestmöglich nutzen zu können. An ausgewählten Stellen innerhalb der Beschreibung wird auf die hier angegebene Literatur explizit verwiesen.
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Claims (14)
dass die planaren oder gekrümmten Flächen (080, 030a) der n Gradientenspulen spiralförmig (036) und/oder stufenförmig (032) ausgeformt sind,
und dass die stromführenden Leiter der n Gradientenspulen identisch ausgeformt sind (038a, 038b, 038c).A magnetic resonance imaging gradient system comprising three gradient coils (032) which
in that the planar or curved surfaces (080, 030a) of the n gradient coils are formed spirally (036) and / or step-shaped (032),
and that the current-carrying conductors of the n gradient coils are identically shaped (038a, 038b, 038c).
dadurch gekennzeichnet,
dass jedes Element spiralförmig (076a) und/oder stufenförmig (072a) ausgeformt ist.A gradient coil for use in a gradient system according to any one of the preceding claims, wherein the gradient coil comprises current-carrying conductors (013) arranged on a planar or curved surface (080, 030a) and closed, half-closed or open-shaped in the azimuthal direction (013, 021) ), and wherein the gradient coil is constructed from one (038a) or from two elements (072a, 072b) and, if the gradient coil consists of one element, has an extension in the azimuthal direction of 360 ° (032) or more (038a, 038b, 038c) or, if the gradient coil consists of two elements, each element has an extension in the azimuthal direction of 180 ° (072a, 072b),
characterized,
that each element spiral (076a) and / or step-shaped (072A) is formed.
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